C ++中的內存分配區域（堆棧與堆與靜態）

Question

我知道C ++中有三個而不是兩個內存區域：堆棧，堆和靜態分配功能的區域。 我有兩個問題

1. 為什么堆比堆棧慢得多？ 當然它應該只是一個額外的間接水平？

2. 為靜態“特性”（變量，函數，類）分配的內存區域是否提供比堆更快的性能？

Answer 1

首先是幾個旁注。 正確的術語是自動的而不是堆棧，動態而不是堆。 另一個是使用C ++ 11，現在有四種而不是三種類型的內存。 C ++ 11為混合添加了線程本地內存。

自動內存很快，因為它是在大多數機器上使用調用堆棧實現的。 所需要的是調整堆棧指針正確的數量和瞧！ 內存已分配。 動態內存需要更多的工作。 必要的內存可能沒有附加到進程，並且要實現這一點需要通過操作系統。 即使內存可用，動態內存管理工具仍然必須找到它並將其標記為正在使用中。

靜態存儲器被“分配”為編譯和鏈接過程的一部分。 在某個源文件中定義靜態變量時，編譯的代碼包含鏈接器為該變量保留空間的特殊指令。 編譯器還將您的C / C ++代碼轉換為機器代碼。 鏈接器組合了所有這些不同的數據塊和代碼，並解析地址以形成可執行的二進制映像。 運行程序時，該二進制映像將加載到（虛擬）內存中。 程序開始執行后，該靜態變量的內存就會存在。

就性能而言，最好不要過早擔心性能問題。 雖然靜態內存很快，但存在許多缺點。 你要做的最后一件事是讓你的所有數據都是靜態的。

Answer 2

1）為什么堆比堆棧慢得多？ 當然它應該只是一個額外的間接水平？

因為堆棧分配存儲器裝置通過增加¹ stackpointer SP N其中N是字節數。 以這種方式改變sp足夠快。 使用堆，您可以執行許多操作，例如，查找空閑插槽或請求內存操作系統是昂貴的操作。

^{1.或減少，取決於堆棧增長的方式！}

2）為靜態“特性”（變量，函數，類）分配的內存區域是否提供比堆更快的性能？

如果你的意思是static變量，那么是的，它們比堆快，因為它們是靜態分配的，它們一直存在到程序結束。 但是，沒有static類這樣的東西，並且在這種情況下無法比較為函數分配的內存（這個問題對我來說沒有任何意義）。

Answer 3

盡管“堆較慢”語句過於寬泛而無意義，但與堆分配相關的某些方面肯定比堆慢。 與堆棧不同，堆棧由於無法從堆棧中間移除而無法分段，因此堆會受到碎片的影響。 您的程序可以按任意順序取消分配對象，在堆中創建“漏洞”。 當您請求更多內存時，分配器必須搜索合適的“漏洞”以滿足您的請求。

此外，基於堆棧的操作由計算機硬件高度優化。 最后，在自動存儲中分配的對象（“堆棧”的官方名稱）由於與程序訪問的其他本地接近而具有更高的緩存概率。

就static存儲而言，它僅適用於數據成員：靜態函數和靜態成員函數只是重用關鍵字而不重用其含義。 靜態存儲中的對象只分配一次，因此沒有碎片原因。

分配完成后，三種存儲（靜態，動態和自動）中對象的訪問速度幾乎相同。

Answer 4

在比較堆棧，堆或靜態分配區域的速度時，有兩種不同的速度可供比較。

首先，有訪問速度 。 雖然本地（堆棧分配）變量可能略有優勢，但這對於編譯器在CPU寄存器中緩存更容易，因此這三個區域中的每一個都具有可比性。 否則，它基本上只是內存訪問。

其次，有分配的速度 。 這是產生巨大差異的地方。
靜態分配的對象在程序啟動時（或者當它們駐留在動態加載的庫中時，庫加載時）保留其內存，因此就程序而言，它們的分配時間短得多。
堆棧分配的對象分配起來也很便宜，因為它們采用編譯器可以輕松考慮的可預測分配模式（最后分配= =首先解除分配）。 例如，如果一個應用程序有多個線程，它也將有多個堆棧（每個堆棧為一個線程保留），因此線程不必相互競爭訪問堆棧內存。
堆分配的對象是困難的，因為堆用於不適合早期組的所有內容。 此外，整個應用程序通常只有一個堆，因此需要線程同步來從堆中分配內存。 並且，由於分配/解除分配模式相當隨機，因此必須采取措施以確保不會因堆的碎片而導致堆內存過多丟失。 這需要花費一些時間來進行分配或解除分配。

Answer 5

1）這不是間接問題，而是記憶問題。 在堆棧上分配內存只是將堆棧指針向上移動。 雖然堆上的分配涉及尋找合適大小的內存，並考慮碎片。

2）靜態內存在主入口點之前被分配到程序中，因此沒有真正的運行時開銷。 訪問已分配內存的速度並不真正取決於內存的分配位置。

Answer 6

堆棧比堆快得多的一個原因是由於局部性原理。 存儲在堆棧中的數據位於連續的位置，這意味着如果引用一個變量，則其相鄰信息將自動帶到高速緩存。 存儲在堆上的數據（動態數組除外）沒有這個優勢。