Stack или Heap: в чем разница?

Написание эффективного кода требует понимания стека и динамической памяти, что делает их важнейшим компонентом обучения программированию. Мало того, новые программисты также должны полностью ознакомиться с различиями между памятью стека и памятью кучи, чтобы писать эффективный и оптимизированный код. В этом сообщении блога будет представлено всестороннее сравнение этих двух методов выделения памяти. К концу этой статьи у нас будет полное представление о памяти стека и кучи, что позволит нам эффективно использовать их в наших усилиях по программированию.

Выделение памяти

Память служит основой компьютерного программирования. Он предоставляет место для хранения данных и всех команд, необходимых нашей программе для эффективной работы. Выделение памяти можно сравнить с выделением определенной области в памяти нашего компьютера для определенной цели, например, для размещения переменных или объектов, необходимых для функциональности нашей программы. Структура памяти и организация программы могут различаться в зависимости от используемой операционной системы и архитектуры. Однако в целом память можно разделить на следующие сегменты:

• Global segment
• Code segment
• Stack
• Heap

Сегмент global отвечает за хранение глобальных переменных и статических переменных, время жизни которых равно всей продолжительности выполнения программы.

Сегмент кода, также известный как текстовый сегмент, содержит фактический машинный код или инструкции, из которых состоит наша программа, включая функции и методы.

Сегмент стека используется для управления локальными переменными, аргументами функций и управляющей информацией, такой как адреса возврата.

Сегмент кучи предоставляет гибкую область для хранения больших структур данных и объектов с динамическим временем жизни. Память кучи может быть выделена или освобождена во время выполнения программы.

Примечание. Важно отметить, что стек и куча в контексте выделения памяти не следует путать со стеком и кучей структур данных, которые имеют разные цели и функции.

Обзор четырех сегментов памяти — глобального, кода, стека и кучи — иллюстрирующий обычное представление кучи, растущей вниз, и стека, растущего вверх.

Каждая программа имеет свой собственный макет виртуальной памяти, который отображается операционной системой в физическую память. Конкретное распределение по каждому сегменту зависит от различных факторов, например следующих:

• Размер кода программы.
• Количество и размер глобальных переменных.
• Объем динамического выделения памяти, необходимый программе.
• Размер стека вызовов, используемого программой.

Глобальные переменные, объявленные вне какой-либо функции, будут находиться в глобальном сегменте. Машинный код или инструкции для функций и методов программы будут храниться в сегменте кода. Давайте посмотрим примеры кода, чтобы помочь визуализировать, как глобальные сегменты и сегменты кода используются в памяти:

С++

#include <iostream>

// Global Segment: Global variables are stored here

int globalVar = 42;

// Code Segment: Functions and methods are stored here

int add(int a, int b) {

    return a + b;

}

int main() {

    // Code Segment: Calling the add function

    int sum = add(globalVar, 10);

    std::cout << «Sum: » << sum << std::endl;

    return 0;

}

Глобальные сегменты и сегменты кода в C++

В этих примерах кода у нас есть глобальная переменная globalVarсо значением 42, которая хранится в глобальном сегменте. У нас также есть функция add, которая принимает два целочисленных аргумента и возвращает их sum; эта функция хранится в сегменте кода. Функция main(или скрипт в Python) вызывает функцию add, передавая глобальную переменную и другое целочисленное значение 10в качестве аргументов.

Глобальные сегменты и сегменты кода в коде (сегменты кучи и стека не показаны)

Крайне важно подчеркнуть, что управление сегментами стека и кучи играет важную роль в производительности и эффективности нашего кода, что делает его жизненно важным аспектом программирования. Поэтому программисты должны полностью понять их, прежде чем углубляться в их различия.

Память Stack: упорядоченное хранилище

Думайте о стековой памяти как об организованной и эффективной единице хранения. Он использует подход «последним поступил — первым обслужен» (LIFO), что означает, что самые последние добавленные данные удаляются первыми. Ядро, центральный компонент операционной системы, автоматически управляет памятью стека; нам не нужно беспокоиться о выделении и освобождении памяти. Он просто заботится о себе, пока работает наша программа.

Приведенные ниже примеры кода на разных языках программирования демонстрируют использование стека в различных случаях.

С++

#include <iostream>

// A simple function to add two numbers

int add(int a, int b) {

    // Local variables (stored in the stack)

    int sum = a + b;

    return sum;

}

int main() {

    // Local variable (stored in the stack)

    int x = 5;

    // Function call (stored in the stack)

    int result = add(x, 10);

    std::cout << «Result: » << result << std::endl;

    return 0;

}

Использование памяти стека в C++: демонстрация локальных переменных и вызовов функций

Блок памяти, называемый кадром стека, создается при вызове функции. Фрейм стека хранит информацию, связанную с локальными переменными, параметрами и адресом возврата функции. Эта память создается в сегменте стека.

В приведенных выше примерах кода мы создали функцию с именем add. Эта функция принимает два параметра в качестве входных целых чисел и возвращает их sum. Внутри addфункции мы создали локальную переменную sumдля хранения результата. Эта переменная хранится в памяти стека.

В mainфункции (или скрипте верхнего уровня для Python) мы создаем еще одну локальную переменную xи присваиваем ей значение 5. Эта переменная также хранится в памяти стека. Затем мы вызываем функцию добавления с аргументами xи 10в качестве аргументов. Вызов функции, его аргументы и адрес возврата помещаются в стек. Как только addфункция возвращается, стек извлекается, удаляя вызов функции и связанные данные, и мы можем распечатать результат.

В следующем объяснении мы рассмотрим, как куча и стек изменяются после запуска каждой важной строки кода. Хотя мы фокусируемся на C++, объяснение для Python и Java также остается в силе. Здесь мы обсуждаем только сегмент стека.

Вот объяснение кода C++ в порядке выполнения:

• Строка 10: Программа начинается с mainфункции, и для нее создается новый кадр стека.
• Строка 12: Локальной переменной xприсваивается значение 5.
• Строка 15: Функция addвызывается с аргументами xи 10.
• Строка 4: для функции создается новый кадр стека add. Управление передается функции addс локальными переменными. a, bи sum. Переменным aи bприсваиваются значения xи 10соответственно.
• Строка 6: Локальной переменной sumприсваивается значение a + b(т.е. 5 + 10).
• Строка 7: значение sumпеременной (т.е. 15) возвращается вызывающей стороне.
• Строка 8: Кадр addстека функции извлекается из стека, и все локальные переменные ( a, b, и sum) освобождаются.
• Строка 15: Локальной переменной resultв кадре стека функции mainприсваивается возвращаемое значение (т. е. 15).
• Строка 17: значение, хранящееся в resultпеременной (например, 15), выводится на консоль с помощью std::cout.
• Строка 19: Функция mainвозвращает 0, сигнализируя об успешном выполнении.
• Строка 20: Кадр mainстека функции извлекается из стека, и все локальные переменные ( xи result) освобождаются.

Ключевые особенности стековой памяти

Вот некоторые ключевые аспекты стековой памяти, которые следует учитывать:

Фиксированный размер: Когда речь идет о стековой памяти, ее размер остается фиксированным и определяется в самом начале выполнения программы.
Преимущество в скорости: кадры памяти стека являются непрерывными. Поэтому выделение и освобождение памяти в памяти стека происходит невероятно быстро. Это делается путем простой настройки ссылок через указатели стека, управляемые ОС.
Хранение управляющей информации и переменных. Память стека отвечает за размещение управляющей информации, локальных переменных и аргументов функций, включая адреса возврата.
Ограниченная доступность: важно помнить, что доступ к данным, хранящимся в памяти стека, возможен только во время активного вызова функции.
Автоматическое управление. Эффективное управление памятью стека осуществляется самой системой, и с нашей стороны не требуется никаких дополнительных усилий.

Heap памяти: динамическое хранилище

Куча памяти, также известная как динамическая память, является диким потомком распределения памяти. Программист должен управлять им вручную. Куча памяти позволяет нам выделять и освобождать память в любой момент выполнения нашей программы. Он отлично подходит для хранения больших структур данных или объектов, размеры которых заранее неизвестны.

Приведенные ниже примеры кода на разных языках программирования демонстрируют использование кучи.

С++

#include <iostream>

int main() {

    // Stack: Local variable ‘value’ is stored on the stack

    int value = 42;

    // Heap: Allocate memory for a single integer on the heap

    int* ptr = new int;

    // Assign the value to the allocated memory and print it

    *ptr = value;

    std::cout << «Value: » << *ptr << std::endl;

    // Deallocate memory on the heap

    delete ptr;

    return 0;

}

Демонстрация выделения и использования памяти кучи в C++

В этих примерах кода цель состоит в том, чтобы сохранить значение 42в динамической памяти, которая является более постоянным и гибким пространством для хранения. Это делается с помощью указателя или ссылочной переменной, которая находится в памяти стека:

• int* ptr в С++.
• Объект в Java Integer.ptr
• Список с одним элементом ptrв Python.

Затем значение, хранящееся в куче, печатается. В C++ необходимо вручную освободить память, выделенную в куче, с помощью deleteключевого слова. Однако Python и Java управляют освобождением памяти автоматически посредством сборки мусора, что устраняет необходимость ручного вмешательства.

Примечание. В Java и Python сборка мусора автоматически обеспечивает освобождение памяти, устраняя необходимость в ручном освобождении памяти, как в C++.

В следующем объяснении мы рассмотрим, как изменяются куча и стек после запуска каждой важной строки кода. Хотя мы фокусируемся на C++, объяснение справедливо и для Python и Java. Здесь мы обсуждаем только сегменты стека и кучи.

Вот объяснение кода C++ в порядке выполнения:

• Строка 3: функция mainвызывается, и для нее создается новый кадр стека.
• Строка 5: Локальной переменной valueв кадре стека присваивается значение 42.
• Строка 8: переменная-указатель ptrвыделяется в динамически созданной памяти для одного целого числа в куче с помощью newключевого слова. Предположим, что адрес этой новой памяти в куче равен 0×1000. Адрес выделенной памяти кучи (0×1000) хранится в указателе. ptr.
• Строка 11: целочисленное значение 42присваивается ячейке памяти, на которую указывает ptr(адрес кучи 0×1000).
• Строка 12: значение, хранящееся в ячейке памяти, на которую указывает ptr( 42), выводится на консоль.
• Строка 15: память, выделенная в куче по адресу 0×1000, освобождается с помощью deleteключевого слова. После этой строки ptrуказатель становится висячим, потому что он все еще содержит адрес 0×1000, но эта память была освобождена. Однако мы не будем подробно обсуждать висячие указатели для этого важного обсуждения.
• Строка 17: функция main возвращает 0, сигнализируя об успешном выполнении.
• Строка 18: Кадр стека основной функции извлекается из стека, и все локальные переменные ( valueи ptr) освобождаются.

Примечание. Стандартная библиотека C++ также предоставляет ряд интеллектуальных указателей, которые могут помочь автоматизировать процесс выделения и освобождения памяти в куче.

Ключевые особенности динамической памяти

Вот некоторые примечательные характеристики динамической памяти, о которых следует помнить:

• Гибкость в размере: размер динамической памяти может меняться в процессе выполнения программы.
• Компромисс скорости: выделение и освобождение памяти в куче выполняется медленнее, поскольку требует поиска подходящего кадра памяти и обработки фрагментации.
• Хранилище для динамических объектов: память кучи хранит объекты и структуры данных с динамическим сроком службы, например созданные с помощью newключевого слова в Java или C++.
• Постоянные данные: данные, хранящиеся в динамической памяти, остаются там до тех пор, пока мы не освободим их вручную или программа не завершится.
• Ручное управление: в некоторых языках программирования (например, C и C++) динамической памятью необходимо управлять вручную. Это может привести к утечке памяти или неэффективному использованию ресурсов, если это не сделано правильно.

Stack или heap: различия

Теперь, когда мы полностью понимаем, как работает распределение памяти в стеке и куче, мы можем различать их. При сравнении памяти стека и кучи мы должны учитывать их уникальные характеристики, чтобы понять их различия:

• Управление размером: память стека имеет фиксированный размер, определяемый в начале выполнения программы, тогда как память кучи является гибкой и может изменяться в течение жизненного цикла программы.
• Скорость: Память стека дает преимущество в скорости при выделении и освобождении памяти, поскольку для этого требуется только настройка ссылки. Напротив, операции с памятью кучи выполняются медленнее из-за необходимости находить подходящие кадры памяти и управлять фрагментацией.
• Цели хранения: Память стека предназначена для управляющей информации (такой как вызовы функций и адреса возврата), локальных переменных и аргументов функций, включая адреса возврата. С другой стороны, динамическая память используется для хранения объектов и структур данных с динамическим временем жизни, таких как созданные с помощью ключевого newслова в Java или C++.
• Доступность данных: доступ к данным в памяти стека возможен только во время активного вызова функции, тогда как данные в памяти кучи остаются доступными до тех пор, пока они не будут освобождены вручную или программа не завершится.
• Управление памятью: система автоматически управляет памятью стека, оптимизируя ее использование для быстрого и эффективного обращения к памяти. В отличие от этого, ответственность за управление памятью кучи лежит на программисте, и неправильная обработка может привести к утечке памяти или неэффективному использованию ресурсов.

В этой таблице приведены основные различия между стековой и динамической памятью в различных аспектах:

Аспект	Stack Memory	Heap Memory
Управление размером	Фиксированный размер, определяемый в начале программы	Гибкий размер, может меняться в течение жизненного цикла программы
Скорость	Быстрее, требуется только настройка ссылки	Медленнее, включает в себя поиск подходящих блоков и управление фрагментацией
Цели хранения	Управляющая информация, локальные переменные, аргументы функций	Объекты и структуры данных с динамическим временем жизни
Доступность данных	Доступно только во время активного вызова функции	Доступен до тех пор, пока не будет удален вручную или программа не завершится
Управление памятью	Автоматически управляется системой	Вручную управляется программистом

Stack или heap: когда использовать каждый тип

Теперь мы знаем о различиях между стековой и динамической памятью. Давайте теперь посмотрим, когда использовать каждый тип памяти.

Стек — это вариант по умолчанию для хранения локальных переменных и аргументов функций с коротким и предсказуемым сроком службы в C++, Java и Python. Однако рекомендуется использовать динамическую память в следующих ситуациях:

• Когда есть необходимость хранить объекты, структуры данных или динамически размещаемые массивы с продолжительностью жизни, которую нельзя предсказать во время компиляции или во время вызова функции.
• Когда требования к памяти велики или когда нам нужно обмениваться данными между различными частями нашей программы.
• При выделении памяти, которая сохраняется за рамками одного вызова функции, требуется.

Кроме того, в C++ требуется ручное управление памятью (с помощью delete), тогда как в Java и Python освобождение памяти в основном осуществляется сборкой мусора. Тем не менее, мы должны помнить о шаблонах использования памяти, чтобы избежать проблем.

Заключение

Понимание разницы между стековой и динамической памятью имеет решающее значение для любого программиста, стремящегося писать эффективный и оптимизированный код. Память стека лучше всего подходит для временного хранения, локальных переменных и аргументов функций. Куча памяти идеально подходит для больших структур данных и объектов с динамическим сроком службы. Нам нужно тщательно выбирать подходящий метод распределения памяти; мы можем создавать программы, которые эффективны и работают хорошо. Каждый тип памяти обладает собственным набором функций, и очень важно использовать их для обеспечения производительности и использования ресурсов в нашем программном обеспечении.