Чем отличается стек от кучи?

Куча:

• Хранится в оперативной памяти компьютера как в куче.
• Переменные, созданные в стеке, выходят за рамки и автоматически освобождаются.
• Гораздо быстрее выделять по сравнению с переменными в куче.
• Реализован с реальной структурой данных стека.
• Хранит локальные данные, адреса возврата, используемые для передачи параметров.
• Может иметь место переполнение стека, когда используется слишком большая часть стека (в основном из-за бесконечной или слишком глубокой рекурсии, очень больших выделений).
• Данные, созданные в стеке, можно использовать без указателей.
• Вы могли бы использовать стек, если точно знаете, сколько данных вам нужно выделить до времени компиляции, и он не слишком велик.
• Обычно максимальный размер уже определяется при запуске вашей программы.

Куча:

• Хранится в оперативной памяти компьютера точно так же, как в стеке.
• В C++ переменные в куче должны быть уничтожены вручную и никогда не выпадают из области видимости. Данные освобождаются с помощью delete, delete[] или free.
• Медленнее выделяется по сравнению с переменными в стеке.
• Используется по запросу для выделения блока данных для использования программой.
• Может иметь место фрагментация при большом количестве распределений и освобождений.
• В C++ или C данные, созданные в куче, будут указываться указателями и выделены new или malloc соответственно.
• Могут происходить сбои выделения, если требуется выделить слишком большой буфер.
• Вы могли бы использовать кучу, если не знаете точно, сколько данных вам понадобится во время выполнения или если вам нужно выделить много данных.
• Ответственный за утечки памяти.

Пример:

int foo()
{
  char *pBuffer; //<--nothing allocated yet (excluding the pointer itself, which is allocated here on the stack).
  bool b = true; // Allocated on the stack.
  if (b)
  {
    //Create 500 bytes on the stack
    char buffer[500];

    //Create 500 bytes on the heap
    pBuffer = new char[500];

   }//<-- buffer is deallocated here, pBuffer is not
}//<--- oops there's a memory leak, I should have called delete[] pBuffer;

Стек Когда вы вызываете функцию, аргументы этой функции плюс некоторые другие накладные расходы помещаются в стек. Некоторая информация (например, куда пойти по возвращении) также хранится там. Когда вы объявляете переменную внутри своей функции, эта переменная также выделяется в стеке.

Освободить стек довольно просто, потому что вы всегда освобождаете в обратном порядке. Материал стека добавляется при вводе функций, соответствующие данные удаляются при выходе из них. Это означает, что вы склонны оставаться в небольшой области стека, если вы не вызываете множество функций, которые вызывают множество других функций (или не создаете рекурсивное решение).

Куча Куча - это общее имя, куда вы помещаете данные, которые вы создаете на лету. Если вы не знаете, сколько космических кораблей собирается создать ваша программа, вы, вероятно, воспользуетесь оператором new (или malloc или эквивалентным) для создания каждого космического корабля. Это распределение будет сохраняться какое-то время, поэтому вполне вероятно, что мы будем освобождать вещи в другом порядке, чем мы их создавали.

Таким образом, куча намного сложнее, потому что в конечном итоге остаются неиспользуемые области памяти, чередующиеся с фрагментами, которые - память фрагментируется. Найти свободную память нужного вам размера - сложная задача. Вот почему следует избегать кучи (хотя она все еще часто используется).

Выполнение Реализация как стека, так и кучи обычно зависит от среды выполнения / ОС. Часто игры и другие приложения, которые критичны к производительности, создают свои собственные решения для памяти, которые захватывают большой кусок памяти из кучи и затем распределяют его внутри, чтобы не полагаться на ОС в качестве памяти.

Это практично только в том случае, если ваше использование памяти сильно отличается от нормы - например, для игр, где вы загружаете уровень за одну огромную операцию и можете выбросить все это в другой огромной операции.

Физическое расположение в памяти Это менее актуально, чем вы думаете, из-за технологии под названием Виртуальная память, которая заставляет вашу программу думать, что у вас есть доступ к определенному адресу, где физические данные находятся где-то еще (даже на жестком диске!). Адреса, которые вы получаете для стека, располагаются в порядке возрастания по мере того, как ваше дерево вызовов становится глубже. Адреса кучи непредсказуемы (т.е. специфичны для реализации) и, откровенно говоря, не важны.

Стек - это часть памяти, которой можно управлять с помощью нескольких ключевых инструкций языка ассемблера, таких как pop (удаление и возврат значения из стека) и push (отправка значения в стек), но также вызов ( вызов подпрограммы - это подталкивает адрес к возврату в стек) и return (возврат из подпрограммы - это выталкивает адрес из стека и переходит к нему). Это область памяти ниже регистра указателя стека, которую можно настроить по мере необходимости. Стек также используется для передачи аргументов подпрограммам, а также для сохранения значений в регистрах перед вызовом подпрограмм.

Куча - это часть памяти, которая предоставляется приложению операционной системой, как правило, с помощью системного вызова, такого как malloc. В современных операционных системах эта память представляет собой набор страниц, к которым имеет доступ только вызывающий процесс.

Размер стека определяется во время выполнения и обычно не увеличивается после запуска программы. В программе на C стек должен быть достаточно большим, чтобы вместить каждую переменную, объявленную в каждой функции. Куча будет расти динамически по мере необходимости, но ОС в конечном итоге выполняет вызов (она часто увеличивает кучу больше, чем значение, запрошенное malloc, так что по крайней мере некоторым будущим маллокам не нужно будет возвращаться к ядру, чтобы получить больше памяти. Это поведение часто настраивается)

Поскольку вы выделили стек перед запуском программы, вам никогда не нужно выполнять malloc, прежде чем вы сможете использовать стек, так что это небольшое преимущество. На практике очень сложно предсказать, что будет быстрым, а что медленным в современных операционных системах с подсистемами виртуальной памяти, потому что то, как реализованы страницы и где они хранятся, является деталью реализации.

Другие довольно хорошо ответили на общие черты, поэтому я добавлю несколько деталей.

1. Стек и куча не обязательно должны быть единичными. Распространенная ситуация, когда у вас есть более одного стека, - это если у вас более одного потока в процессе. В этом случае у каждого потока есть свой стек. У вас также может быть более одной кучи, например, некоторые конфигурации DLL могут приводить к тому, что разные библиотеки DLL выделяются из разных куч, поэтому обычно плохая идея освобождать память, выделенную другой библиотекой.

2. В C вы можете получить преимущество выделения переменной длины за счет использования alloca, который выделяется в стеке, в отличие от alloc, который выделяется в куче. Эта память не выдержит вашего оператора return, но она полезна для временного буфера.

3. Создание огромного временного буфера в Windows, который вы мало используете, не является бесплатным. Это связано с тем, что компилятор будет генерировать цикл проверки стека, который вызывается каждый раз при входе в вашу функцию, чтобы убедиться, что стек существует (потому что Windows использует одну страницу защиты в конце вашего стека, чтобы определить, когда ей нужно увеличить стек. Если вы обращаетесь к памяти более чем на одну страницу с конца стека, произойдет сбой). Пример:

void myfunction()
{
   char big[10000000];
   // Do something that only uses for first 1K of big 99% of the time.
}

Стек - это память, выделенная как временное пространство для потока выполнения. Когда функция вызывается, наверху стека резервируется блок для локальных переменных и некоторых данных бухгалтерского учета. Когда эта функция возвращается, блок становится неиспользуемым и может быть использован при следующем вызове функции. Стек всегда резервируется в порядке LIFO (последний пришел - первый ушел); самый последний зарезервированный блок всегда является следующим освобождаемым блоком. Это упрощает отслеживание стека; освобождение блока из стека - это не что иное, как настройка одного указателя.

Куча - это память, отведенная для динамического распределения. В отличие от стека, здесь нет принудительного шаблона для выделения и освобождения блоков из кучи; вы можете выделить блок в любое время и освободить его в любое время. Это значительно усложняет отслеживание того, какие части кучи выделены или освобождены в любой момент времени; доступно множество настраиваемых распределителей кучи для настройки производительности кучи для различных шаблонов использования.

Каждый поток получает стек, в то время как обычно существует только одна куча для приложения (хотя нередко бывает несколько куч для разных типов распределения).

Чтобы напрямую ответить на ваши вопросы:

To what extent are they controlled by the OS or language runtime?

ОС выделяет стек для каждого потока системного уровня при создании потока. Обычно ОС вызывается средой выполнения языка для выделения кучи для приложения.

What is their scope?

Стек прикреплен к потоку, поэтому, когда поток выходит из стека, он восстанавливается. Куча обычно выделяется при запуске приложения средой выполнения и освобождается при выходе из приложения (технически процесса).

What determines the size of each of them?

Размер стека устанавливается при создании потока. Размер кучи устанавливается при запуске приложения, но может увеличиваться по мере необходимости в пространстве (распределитель запрашивает у операционной системы больше памяти).

What makes one faster?

Стек работает быстрее, потому что шаблон доступа упрощает выделение и освобождение памяти из него (указатель / целое число просто увеличивается или уменьшается), в то время как в куче гораздо более сложный учет, связанный с выделением или освобождением. Кроме того, каждый байт в стеке имеет тенденцию очень часто повторно использоваться, что означает, что он имеет тенденцию отображаться в кеш-память процессора, что делает его очень быстрым. Еще одним ударом по производительности кучи является то, что куча, являющаяся в основном глобальным ресурсом, обычно должна быть многопоточной, то есть каждое выделение и освобождение должно быть - обычно - синхронизировано со «всеми» другими доступами к куче в программе.

Наглядная демонстрация:
_{Image source: vikashazrati.wordpress.com}

Я думаю, что многие другие люди дали вам в основном правильные ответы по этому поводу.

Однако упущена одна деталь: "кучу" на самом деле, вероятно, следует называть "бесплатным хранилищем". Причина этого различия заключается в том, что исходное бесплатное хранилище было реализовано со структурой данных, известной как «биномиальная куча». По этой причине распределение из ранних реализаций malloc () / free () было распределением из кучи. Однако в наши дни большинство бесплатных хранилищ реализованы с очень сложными структурами данных, которые не являются биномиальными кучами.

Другие прямо ответили на ваш вопрос, но, пытаясь понять стек и кучу, я думаю, полезно рассмотреть структуру памяти традиционного процесса UNIX (без потоков и распределителей на основе mmap()). На веб-странице Глоссарий по управлению памятью есть диаграмма этой структуры памяти.

Стек и куча традиционно расположены на противоположных концах виртуального адресного пространства процесса. Стек автоматически увеличивается при доступе до размера, установленного ядром (который можно настроить с помощью setrlimit(RLIMIT_STACK, ...)). Куча увеличивается, когда распределитель памяти вызывает системный вызов brk() или sbrk(), отображая больше страниц физической памяти в виртуальное адресное пространство процесса.

В системах без виртуальной памяти, таких как некоторые встроенные системы, часто применяется одна и та же базовая схема, за исключением того, что размер стека и кучи фиксирован. Однако в других встроенных системах (например, на базе микроконтроллеров Microchip PIC) программный стек представляет собой отдельный блок памяти, который не адресуется инструкциями перемещения данных и может быть изменен или прочитан только косвенно с помощью инструкций потока программы (call, возврат и т. д.). Другие архитектуры, такие как процессоры Intel Itanium, имеют несколько стеков. В этом смысле стек является элементом архитектуры ЦП.

Проще говоря, стек - это место, где создаются локальные переменные. Кроме того, каждый раз, когда вы вызываете подпрограмму, счетчик программы (указатель на следующую машинную инструкцию) и любые важные регистры, а иногда и параметры помещаются в стек. Затем любые локальные переменные внутри подпрограммы помещаются в стек (и используются оттуда). Когда подпрограмма завершается, весь этот материал удаляется из стека. Данные ПК и регистров возвращаются и возвращаются туда, где они были, так что ваша программа может продолжать свой веселый путь.

Куча - это область памяти, из которой выполняется распределение динамической памяти (явные вызовы «new» или «allocate»). Это специальная структура данных, которая может отслеживать блоки памяти различного размера и их статус распределения.

В «классических» системах ОЗУ располагалась так, что указатель стека начинался снизу памяти, указатель кучи начинался сверху, и они увеличивались по направлению друг к другу. Если они перекрываются, у вас закончилась оперативная память. Однако это не работает с современными многопоточными ОС. У каждого потока должен быть свой собственный стек, и они могут создаваться динамически.

Со стеком можно делать кое-что интересное. Например, у вас есть такие функции, как alloca (при условии, что вы можете обойти многочисленные предупреждения, касающиеся его использования), которая является формой malloc, которая специально использует стек, а не кучу, для памяти.

Тем не менее, стековые ошибки памяти - одни из худших, с которыми мне приходилось сталкиваться. Если вы используете память кучи и вы выходите за границы выделенного блока, у вас есть приличный шанс вызвать ошибку сегмента. (Не на 100%: ваш блок может случайно быть смежным с другим, который вы ранее разместили.) Но поскольку переменные, созданные в стеке, всегда смежны друг с другом, запись за пределы может изменить значение другой переменной. Я узнал, что всякий раз, когда я чувствую, что моя программа перестала подчиняться законам логики, это, вероятно, переполнение буфера.

Из WikiAnwser.

Куча

Когда функция или метод вызывает другую функцию, которая по очереди вызывает другую функцию и т. д., Выполнение всех этих функций остается приостановленным до тех пор, пока самая последняя функция не вернет свое значение.

Эта цепочка приостановленных вызовов функций является стеком, потому что элементы в стеке (вызовы функций) зависят друг от друга.

Стек важно учитывать при обработке исключений и выполнении потоков.

Куча

Куча - это просто память, используемая программами для хранения переменных. Элементы кучи (переменные) не зависят друг от друга и всегда могут быть доступны случайным образом в любое время.

В следующем коде C#

public void Method1()
{
    int i = 4;
    int y = 2;
    class1 cls1 = new class1();
}

Вот как управляется память

Local Variables, который должен длиться только до тех пор, пока вызов функции находится в стеке. Куча используется для переменных, время жизни которых мы не знаем заранее, но ожидаем, что они продлятся какое-то время. Для большинства языков очень важно знать во время компиляции, насколько велика переменная, если мы хотим сохранить ее в стеке.

Объекты (которые меняются по размеру по мере их обновления) отправляются в кучу, потому что во время создания мы не знаем, как долго они прослужат. Во многих языках куча собирает мусор для поиска объектов (таких как объект cls1), на которые больше нет ссылок.

В Java большинство объектов попадают прямо в кучу. В таких языках, как C / C++, структуры и классы часто могут оставаться в стеке, когда вы не имеете дело с указателями.

Более подробную информацию можно найти здесь:

Разница между выделением памяти в стеке и куче «timmurphy.org

и тут:

Создание объектов в стеке и куче

Эта статья является источником изображения выше: Шесть важных концепций .NET: стек, куча, типы значений, ссылочные типы, упаковка и распаковка - CodeProject

но имейте в виду, что он может содержать некоторые неточности.

Чтобы уточнить, у этот ответ неверная информация (Томас исправил свой ответ после комментариев, круто :)). В других ответах просто не объясняется, что означает статическое распределение. Итак, я объясню три основных формы распределения и то, как они обычно связаны с кучей, стеком и сегментом данных ниже. Я также покажу несколько примеров как на C / C++, так и на Python, чтобы помочь людям понять.

«Статические» (также известные как статически размещенные) переменные не размещаются в стеке. Не думайте об этом - многие люди так делают только потому, что «статика» очень похожа на «стек». На самом деле они не существуют ни в стеке, ни в куче. Это часть того, что называется сегмент данных.

Однако обычно лучше рассматривать «объем» и «продолжительность жизни», а не «стек» и «кучу».

Область действия относится к тому, какие части кода могут обращаться к переменной. Обычно мы думаем о локальный охват (доступ к нему возможен только для текущей функции) по сравнению с глобальный масштаб (доступ к нему можно получить где угодно), хотя область видимости может стать намного более сложной.

Время жизни означает, когда переменная выделяется и освобождается во время выполнения программы. Обычно мы думаем о статическое распределение (переменная будет сохраняться на протяжении всей программы, что делает ее полезной для хранения одной и той же информации в нескольких вызовах функций) по сравнению с автоматическое распределение (переменная сохраняется только во время одного вызова функции, что делает ее полезной для хранения информации. который используется только во время вашей функции и может быть отброшен, как только вы закончите) по сравнению с динамическое размещение (переменные, продолжительность которых определяется во время выполнения, а не во время компиляции, например статическая или автоматическая).

Хотя большинство компиляторов и интерпретаторов реализуют это поведение аналогичным образом с точки зрения использования стеков, куч и т. д., Компилятор может иногда нарушать эти соглашения, если он хочет, если поведение является правильным. Например, из-за оптимизации локальная переменная может существовать только в регистре или полностью удаляться, даже если большинство локальных переменных существует в стеке. Как было указано в нескольких комментариях, вы можете реализовать компилятор, который даже не использует стек или кучу, а вместо этого использует некоторые другие механизмы хранения (редко, поскольку для этого отлично подходят стеки и кучи).

Я предоставлю простой аннотированный код на языке C, чтобы проиллюстрировать все это. Лучший способ научиться - запустить программу под отладчиком и наблюдать за ее поведением. Если вы предпочитаете читать Python, переходите к концу ответа :)

// Statically allocated in the data segment when the program/DLL is first loaded
// Deallocated when the program/DLL exits
// scope - can be accessed from anywhere in the code
int someGlobalVariable;

// Statically allocated in the data segment when the program is first loaded
// Deallocated when the program/DLL exits
// scope - can be accessed from anywhere in this particular code file
static int someStaticVariable;

// "someArgument" is allocated on the stack each time MyFunction is called
// "someArgument" is deallocated when MyFunction returns
// scope - can be accessed only within MyFunction()
void MyFunction(int someArgument) {

    // Statically allocated in the data segment when the program is first loaded
    // Deallocated when the program/DLL exits
    // scope - can be accessed only within MyFunction()
    static int someLocalStaticVariable;

    // Allocated on the stack each time MyFunction is called
    // Deallocated when MyFunction returns
    // scope - can be accessed only within MyFunction()
    int someLocalVariable;

    // A *pointer* is allocated on the stack each time MyFunction is called
    // This pointer is deallocated when MyFunction returns
    // scope - the pointer can be accessed only within MyFunction()
    int* someDynamicVariable;

    // This line causes space for an integer to be allocated in the heap
    // when this line is executed. Note this is not at the beginning of
    // the call to MyFunction(), like the automatic variables
    // scope - only code within MyFunction() can access this space
    // *through this particular variable*.
    // However, if you pass the address somewhere else, that code
    // can access it too
    someDynamicVariable = new int;


    // This line deallocates the space for the integer in the heap.
    // If we did not write it, the memory would be "leaked".
    // Note a fundamental difference between the stack and heap
    // the heap must be managed. The stack is managed for us.
    delete someDynamicVariable;

    // In other cases, instead of deallocating this heap space you
    // might store the address somewhere more permanent to use later.
    // Some languages even take care of deallocation for you... but
    // always it needs to be taken care of at runtime by some mechanism.

    // When the function returns, someArgument, someLocalVariable
    // and the pointer someDynamicVariable are deallocated.
    // The space pointed to by someDynamicVariable was already
    // deallocated prior to returning.
    return;
}

// Note that someGlobalVariable, someStaticVariable and
// someLocalStaticVariable continue to exist, and are not
// deallocated until the program exits.

Особенно ярким примером того, почему важно различать время жизни и область действия, является то, что переменная может иметь локальную область видимости, но статическое время жизни - например, someLocalStaticVariable в приведенном выше примере кода. Такие переменные могут сбить с толку наши обычные, но неформальные привычки именования. Например, когда мы говорим «местный», мы обычно имеем в виду «автоматически выделяемая переменная с локальной областью видимости», а когда мы говорим «глобальный», мы обычно имеем в виду «статически распределенная переменная с глобальным охватом». К сожалению, когда дело касается таких вещей, как «статически распределенные переменные с областью видимости файла», многие люди просто говорят… «Хм???».

Некоторые варианты синтаксиса в C / C++ усугубляют эту проблему - например, многие люди думают, что глобальные переменные не «статичны» из-за синтаксиса, показанного ниже.

int var1; // Has global scope and static allocation
static int var2; // Has file scope and static allocation

int main() {return 0;}

Обратите внимание, что размещение ключевого слова static в объявлении выше предотвращает глобальную область видимости var2. Тем не менее, глобальная переменная var1 имеет статическое размещение. Это не интуитивно понятно! По этой причине я стараюсь никогда не использовать слово «статический» при описании области видимости, а вместо этого говорю что-то вроде области «файл» или «ограниченный файл». Однако многие люди используют фразу «статическая» или «статическая область видимости» для описания переменной, к которой можно получить доступ только из одного файла кода. В контексте времени жизни «статический» всегда означает, что переменная выделяется при запуске программы и освобождается при выходе из программы.

Некоторые люди считают эти концепции специфичными для C / C++. Они не. Например, пример Python ниже иллюстрирует все три типа распределения (в интерпретируемых языках возможны некоторые тонкие различия, которые я здесь не буду вдаваться).

from datetime import datetime

class Animal:
    _FavoriteFood = 'Undefined' # _FavoriteFood is statically allocated

    def PetAnimal(self):
        curTime = datetime.time(datetime.now()) # curTime is automatically allocatedion
        print("Thank you for petting me. But it's " + str(curTime) + ", you should feed me. My favorite food is " + self._FavoriteFood)

class Cat(Animal):
    _FavoriteFood = 'tuna' # Note since we override, Cat class has its own statically allocated _FavoriteFood variable, different from Animal's

class Dog(Animal):
    _FavoriteFood = 'steak' # Likewise, the Dog class gets its own static variable. Important to note - this one static variable is shared among all instances of Dog, hence it is not dynamic!


if __name__ == "__main__":
    whiskers = Cat() # Dynamically allocated
    fido = Dog() # Dynamically allocated
    rinTinTin = Dog() # Dynamically allocated

    whiskers.PetAnimal()
    fido.PetAnimal()
    rinTinTin.PetAnimal()

    Dog._FavoriteFood = 'milkbones'
    whiskers.PetAnimal()
    fido.PetAnimal()
    rinTinTin.PetAnimal()

# Output is:
# Thank you for petting me. But it's 13:05:02.255000, you should feed me. My favorite food is tuna
# Thank you for petting me. But it's 13:05:02.255000, you should feed me. My favorite food is steak
# Thank you for petting me. But it's 13:05:02.255000, you should feed me. My favorite food is steak
# Thank you for petting me. But it's 13:05:02.255000, you should feed me. My favorite food is tuna
# Thank you for petting me. But it's 13:05:02.255000, you should feed me. My favorite food is milkbones
# Thank you for petting me. But it's 13:05:02.256000, you should feed me. My favorite food is milkbones

Куча

• Очень быстрый доступ
• Не нужно явно освобождать переменные
• Пространство эффективно управляется процессором, память не будет фрагментирована
• Только локальные переменные
• Ограничение на размер стека (зависит от ОС)
• Размер переменных нельзя изменить

Куча

• Доступ к переменным возможен глобально
• Нет ограничений на размер памяти
• (Относительно) более медленный доступ
• Нет гарантированного эффективного использования пространства, память со временем может фрагментироваться, поскольку блоки памяти выделяются, а затем освобождаются.
• Вы должны управлять памятью (вы отвечаете за выделение и освобождение переменных)
• Размер переменных можно изменять с помощью realloc ()

Что такое стек?

Стопка - это куча предметов, обычно аккуратно уложенных.

Stacks in computing architectures are regions of memory where data is added or removed in a last-in-first-out manner.
In a multi-threaded application, each thread will have its own stack.

Что такое куча?

Куча - это неопрятное собрание вещей, скопившихся наугад.

In computing architectures the heap is an area of dynamically-allocated memory that is managed automatically by the operating system or the memory manager library.
Memory on the heap is allocated, deallocated, and resized regularly during program execution, and this can lead to a problem called fragmentation.
Fragmentation occurs when memory objects are allocated with small spaces in between that are too small to hold additional memory objects.
The net result is a percentage of the heap space that is not usable for further memory allocations.

Оба вместе

In a multi-threaded application, each thread will have its own stack. But, all the different threads will share the heap.
Because the different threads share the heap in a multi-threaded application, this also means that there has to be some coordination between the threads so that they don’t try to access and manipulate the same piece(s) of memory in the heap at the same time.

Что быстрее - стек или куча? И почему?

The stack is much faster than the heap.
This is because of the way that memory is allocated on the stack.
Allocating memory on the stack is as simple as moving the stack pointer up.

Для новичков в программировании, вероятно, будет хорошей идеей использовать стек, поскольку это проще.
Поскольку стек небольшой, вы можете использовать его, когда точно знаете, сколько памяти вам понадобится для ваших данных, или если вы знаете, что размер ваших данных очень мал.
Лучше использовать кучу, когда вы знаете, что вам понадобится много памяти для ваших данных, или вы просто не уверены, сколько памяти вам понадобится (например, с динамическим массивом).

Модель памяти Java

Стек - это область памяти, в которой хранятся локальные переменные (включая параметры метода). Когда дело доходит до объектных переменных, это просто ссылки (указатели) на фактические объекты в куче. Каждый раз, когда создается экземпляр объекта, часть памяти кучи выделяется для хранения данных (состояния) этого объекта. Поскольку объекты могут содержать другие объекты, некоторые из этих данных могут фактически содержать ссылки на эти вложенные объекты.

Поскольку некоторые ответы были придирками, я собираюсь внести свою лепту.

Удивительно, но никто не упомянул, что множественные (т.е. не связанные с количеством запущенных потоков уровня ОС) стеки вызовов можно найти не только в экзотических языках (PostScript) или платформах (Intel Itanium), но также в волокна, зеленые нити и некоторые реализации сопрограммы.

Волокна, зеленые нити и сопрограммы во многом похожи, что приводит к большой путанице. Разница между волокнами и зелеными потоками заключается в том, что первые используют кооперативную многозадачность, а вторые могут включать кооперативную или вытесняющую (или даже обе). Чтобы узнать о различиях между волокнами и сопрограммами, см. здесь.

В любом случае цель обоих волокон, зеленых потоков и сопрограмм состоит в том, чтобы несколько функций выполнялись одновременно, но нет параллельно (см. Раздел этот ТАК вопрос) в одном потоке уровня ОС, передавая управление друг от друга взад и вперед в одном потоке. организованная мода.

При использовании волокон, зеленых потоков или сопрограмм у обычно есть отдельный стек для каждой функции. (Технически, не только стек, но и весь контекст выполнения для каждой функции. Самое главное, регистры ЦП.) Для каждого потока существует столько стеков, сколько одновременно выполняющихся функций, и поток переключается между выполнением каждой функции. согласно логике вашей программы. Когда функция доходит до конца, ее стек уничтожается. Итак, количество и время жизни стеков являются динамическими, а не определяются количеством потоков уровня ОС!

Обратите внимание, что я сказал: «обычно имеет отдельный стек для каждой функции». Существуют реализации курсовых программ как сложен, так и без стека. Наиболее заметными реализациями C++ со стеком являются Boost.Coroutine и Microsoft PPLasync/await. (Однако C++ возобновляемые функции (также известный как «async и await»), которые были предложены для C++ 17, вероятно, будут использовать сопрограммы без стека.)

Предложение волокон для стандартной библиотеки C++ готовится к публикации. Также есть сторонние библиотеки. Зеленые потоки чрезвычайно популярны в таких языках, как Python и Ruby.

В 1980-х годах UNIX распространилась, как кролики, с крупными компаниями, открывшими свои собственные. Один был у Exxon, как и у десятков брендов, утраченных историей. Расположение памяти оставалось на усмотрение многих разработчиков.

Типичная программа на C была размещена в памяти с помощью возможность увеличения за счет изменения значения brk (). Обычно HEAP был чуть ниже этого значения brk. а увеличение brk увеличивало количество доступной кучи.

Единственный СТЕК обычно был областью ниже HEAP, которая была участком памяти. не содержит ничего ценного до вершины следующего фиксированного блока памяти. Следующим блоком часто был КОД, который мог быть перезаписан данными стека. в одном из знаменитых хаков своего времени.

Одним из типичных блоков памяти был BSS (блок нулевых значений). что случайно не было обнулено ни в одном предложении производителя. Другой был DATA, содержащий инициализированные значения, включая строки и числа. Третьим был CODE, содержащий CRT (среда выполнения C), основные функции и библиотеки.

Появление виртуальной памяти в UNIX меняет многие ограничения. Нет объективной причины, по которой эти блоки должны быть смежными, либо фиксированного размера, либо заказанного особым образом сейчас. Конечно, до UNIX была Multics, которая не страдала от этих ограничений. Вот схема, показывающая одну из схем памяти той эпохи.

Пара копеек: Думаю, хорошо бы память рисовать графически и попроще:

Стрелки - показывают, где растут стек и куча, размер стека процесса имеет ограничение, определенное в ОС, размер стека потока обычно ограничивается параметрами в API создания потока. Куча обычно ограничивается максимальным размером виртуальной памяти процесса, например, для 32-битных 2-4 GB.

Очень простой способ: куча процессов является общей для процесса и всех потоков внутри, используется для выделения памяти в общем случае с чем-то вроде malloc ().

Стек - это быстрая память для хранения в общем случае указателей возврата функций и переменных, обрабатываемых как параметры при вызове функции, локальных переменных функции.

OK, просто и коротко они означают упорядоченный и не заказан ...!

Куча: В элементах стека вещи накладываются друг на друга, это означает, что обработка будет быстрее и эффективнее! ...

Таким образом, всегда есть указатель, указывающий на конкретный элемент, также обработка будет быстрее, между элементами также есть взаимосвязь! ...

Куча: Нет порядка, обработка будет медленнее, и значения перепутаны вместе без определенного порядка или индекса ... есть случайные, и нет никакой связи между ними ... поэтому время выполнения и использования может варьироваться ...

Я также создаю изображение ниже, чтобы показать, как они могут выглядеть:

Многие ответы правильны как концепции, но мы должны отметить, что стек необходим аппаратному обеспечению (то есть микропроцессору), чтобы разрешить вызов подпрограмм (CALL на языке ассемблера ..). (Ребята из ООП назовут это методы)

В стеке вы сохраняете адреса возврата, а call → push / ret → pop управляется непосредственно аппаратно.

Вы можете использовать стек для передачи параметров ... даже если он медленнее, чем использование регистров (скажет ли гуру микропроцессоров или хорошая книга BIOS 1980-х годов ...)

• Без стека микропроцессор нет может работать. (мы не можем представить программу, даже на языке ассемблера, без подпрограмм / функций)
• Без кучи может. (Программа на ассемблере может работать без, поскольку куча - это концепция ОС, без malloc, то есть вызова OS / Lib.

Использование стека происходит быстрее:

• Есть аппаратное обеспечение, и даже push / pop очень эффективны.
• malloc требует входа в режим ядра, использования блокировок / семафоров (или других примитивов синхронизации), выполнения некоторого кода и управления некоторыми структурами, необходимыми для отслеживания распределения.

куча, куча и данные каждого процесса в виртуальной памяти:

Мне есть чем поделиться, хотя основные моменты уже освещены.

Куча

• Очень быстрый доступ.
• Хранится в ОЗУ.
• Здесь загружаются вызовы функций вместе с переданными локальными переменными и параметрами функции.
• Когда программа выходит за пределы области видимости, пространство автоматически освобождается.
• Хранится в последовательной памяти.

Куча

• Медленный доступ по сравнению со стеком.
• Хранится в ОЗУ.
• Здесь хранятся динамически создаваемые переменные, для чего позже потребуется освободить выделенную память после использования.
• Хранится везде, где выполняется выделение памяти, всегда доступен по указателю.

Интересное примечание:

• Если бы вызовы функций были сохранены в куче, это привело бы к 2 беспорядочным точкам:
  1. Благодаря последовательному хранению в стеке выполнение происходит быстрее. Хранение в куче привело бы к огромным затратам времени, что замедлило бы выполнение всей программы.
  2. Если бы функции хранились в куче (беспорядочное хранилище, указанное указателем), не было бы возможности вернуться к адресу вызывающего абонента обратно (который дает стек из-за последовательного хранения в памяти).

Ух ты! Так много ответов, и я не думаю, что кто-то из них правильно понял ...

1) Где и что они (физически в памяти реального компьютера)?

Стек - это память, которая начинается с наивысшего адреса памяти, выделенного для образа вашей программы, а затем его значение уменьшается оттуда. Он зарезервирован для параметров вызываемой функции и для всех временных переменных, используемых в функциях.

Есть две кучи: публичная и приватная.

Частная куча начинается на 16-байтовой границе (для 64-разрядных программ) или 8-байтовой границе (для 32-разрядных программ) после последнего байта кода в вашей программе, а затем увеличивается в значении оттуда. Ее также называют кучей по умолчанию.

Если частная куча становится слишком большой, она будет перекрывать область стека, как и стек, если он станет слишком большим. Поскольку стек начинается с более высокого адреса и спускается к более низкому адресу, при правильном взломе вы можете сделать стек настолько большим, что он будет выходить за пределы частной области кучи и перекрывать область кода. Уловка тогда состоит в том, чтобы перекрыть достаточно области кода, чтобы вы могли зацепить код. Это немного сложно сделать, и вы рискуете привести к сбою программы, но это просто и очень эффективно.

Общедоступная куча находится в собственном пространстве памяти вне пространства образа вашей программы. Именно эта память будет выгружена на жесткий диск, если ресурсы памяти станут недостаточными.

2) В какой степени они контролируются ОС или языковой средой?

Стек контролируется программистом, частная куча управляется ОС, а общедоступная куча никем не контролируется, потому что это служба ОС - вы делаете запросы, и они либо предоставляются, либо отклоняются.

2б) Каков их объем?

Все они глобальны для программы, но их содержимое может быть частным, общедоступным или глобальным.

2в) От чего зависит размер каждого из них?

Размер стека и частной кучи определяется параметрами среды выполнения вашего компилятора. Общедоступная куча инициализируется во время выполнения с помощью параметра размера.

2г) Что делает человека быстрее?

Они не созданы для того, чтобы быть быстрыми, они созданы для того, чтобы быть полезными. От того, как программист их использует, зависит, будут они «быстрыми» или «медленными».

ССЫЛКА:

https://norasandler.com/2019/02/18/Write-a-Compiler-10.html

https://docs.microsoft.com/en-us/windows/desktop/api/heapapi/nf-heapi-getprocessheap

https://docs.microsoft.com/en-us/windows/desktop/api/heapapi/nf-heapi-heapcreate

The stack is essentially an easy-to-access memory that simply manages its items as a - well - stack. Only items for which the size is known in advance can go onto the stack. This is the case for numbers, strings, booleans.

The heap is a memory for items of which you can’t predetermine the exact size and structure. Since objects and arrays can be mutated and change at runtime, they have to go into the heap.

Источник: Academind

Спасибо за действительно хорошее обсуждение, но как настоящий новичок мне интересно, где хранятся инструкции? В НАЧАЛЕ ученые выбирали между двумя архитектурами (фон NEUMANN, где все считается ДАННЫМИ, и HARVARD, где одна область памяти была зарезервирована для инструкций, а другая - для данных). В конечном итоге мы выбрали дизайн фон Неймана, и теперь все считается «одинаковым». Мне было трудно, когда я учился сборке https://www.cs.virginia.edu/~evans/cs216/guides/x86.html потому что они говорят о регистрах и указателях стека.

Все выше говорит о ДАННЫХ. Я предполагаю, что, поскольку инструкция - это определенная вещь с определенным объемом памяти, она будет помещена в стек, и поэтому все «эти» регистры, обсуждаемые при сборке, находятся в стеке. Конечно, затем пришло объектно-ориентированное программирование с инструкциями и данными, объединенными в структуру, которая была динамической, поэтому теперь инструкции также будут храниться в куче?

Стек и куча ЦП физически связаны с тем, как ЦП и регистры работают с памятью, как работает язык машинного ассемблера, а не сами языки высокого уровня, даже если эти языки могут решать мелочи.

Все современные процессоры работают с «той же» теорией микропроцессоров: все они основаны на так называемых «регистрах», а некоторые предназначены для «стека» для повышения производительности. У всех процессоров с самого начала есть стековые регистры, и, как я знаю, они всегда были здесь, так сказать. Языки ассемблера одинаковы с самого начала, несмотря на различия ... вплоть до Microsoft и его промежуточного языка (IL), который изменил парадигму, чтобы иметь язык ассемблера виртуальных машин OO. Так что в будущем мы сможем иметь некоторый процессор CLI / CIL (один проект MS).

ЦП имеют регистры стека для ускорения доступа к памяти, но они ограничены по сравнению с использованием других регистров для получения полного доступа ко всей доступной памяти для процесса. Вот почему мы говорили о выделении стека и кучи.

Таким образом, куча является большой и медленной и предназначена для «глобальных» экземпляров и содержимого объектов, поскольку стек небольшой и быстрый, а также для «локальных» переменных и ссылок (скрытых указателей, чтобы забыть управлять ими).

Итак, когда мы используем ключевое слово new в методе, ссылка (int) создается в стеке, но объект и все его содержимое (типы значений, а также объекты) создаются в куче, если я помню. Но в стеке создаются локальные элементарные типы значений и массивы.

Разница в доступе к памяти заключается на уровне ссылок на ячейки: адресация кучи, общей памяти процесса, требует большей сложности с точки зрения обработки регистров ЦП, чем стек, который «более» локально с точки зрения адресации, потому что стек ЦП Регистр используется как базовый адрес, если я помню.

Вот почему, когда у нас очень длинные или бесконечные рекурсивные вызовы или циклы, у нас происходит быстрое переполнение стека, без зависания системы на современных компьютерах ...

C# Heap (ing) против стека (ing) в .NET

Стек против кучи: узнайте разницу

Выделение памяти статическим классом, где она хранится C#

Что и где стопка и куча?

https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_management

https://en.wikipedia.org/wiki/Stack_register

Ресурсы на ассемблере:

Учебник по программированию сборки

Руководства для разработчиков программного обеспечения для архитектур Intel® 64 и IA-32