C++学习笔记 22 堆栈的区别

一、栈

1. 栈通常是一个预定义大小的内存区域，通常约为2M字节左右。

2. 堆也是一个预定义了默认值的区域。但是它的大小可以随着程序的执行而增长、改变。

3. 重要的是，这2个内存区域的实际位置（物理位置）在我们的RAM中完全一样。

4. arr 和 a变量的内存数据挨着，两者之间有一些字节，这只是因为在调试模式下运行，实际上只是添加了些安全守卫（safety guards, 在所有的变量周围），以确保我们不会溢出所有的变量，在错误的内存中访问它们。

5. 所以，在内存中，栈变量都挨得很近，因为实际发生的是，当我们在栈中分配变量时，发生的是：栈指针也就是栈顶部的指针，基本上就是移动这么多字节。

6. 如果我想分配一个4个字节的整数，我们把指针移动4个字节；如果我想分配一个数组，就像这里有5个整数，就是4 x 5 = 20字节，最后是Vector3， 有3个int， 3 x 4 = 12 字节，我们只是移动栈指针。

7. 内存实际上是互相叠加存储的，就像一个栈。现在大多数栈的实现中，栈是倒着来的，更高的内存地址，存储第一个变量。

8. 栈的思路是：把东西堆到一起，这就是为什么栈分配非常快，它就像一条CPU指令，我们所做的就是移动栈指针，然后我们返回栈指针的地址。

9. 在栈中，一旦你在栈中分配内存的作用域结束，你在栈中分配的所有内存都会被弹出，会被释放。

10. 在栈上分配内存、存储变量的额外好处：它们在内存中挨得很近，因此，它们可以被放到CPU缓存线（CPU Cache Line：可以理解为CPU Cache中的最小缓存单位）

11. 如果我们是在堆中创建，可能会产生一些cache miss，（CPU要访问的数据在缓存中有，称谓 Cache hit，反之，称为Cache miss）。相比之下，在栈中分配，可能不会得到cache miss。在我们请求第一个栈上变量之后。

12. 有一些cache miss 对比 没有cache miss，不是什么大问题，你可能完全不会注意到区别，但是如果我们如果要处理上百万的cache misses, 那就是大问题了。但如果就是少量的cache misses, 区别可以忽略不计。

二、 堆

13. new 实际上是调用了malloc函数， memory allocate的缩写，会调用底层操作系统或平台的特定函数，这将在堆上为你分配内存。

14. 当你启动你的应用时，你会得到一定数量的物理RAM分配给你。你的程序会维护一个叫做空闲列表（free list）的东西，它是跟踪哪些内存块是空闲的，它们在哪儿。

15. 所以当你需要动态内存的时候，使用动态堆内存，当你使用malloc请求堆内存的时候，它可以浏览空闲列表，然后找到一块空闲内存，至少和你需要的一样大，然后给你一个它的指针，然后还要记录一些东西，例如分配的大小，和它现在被分配的情况，你不能再使用那块内存了（有一堆记录要做）。

16. malloc实际实现取决于实现方法，它是一个很大很重的function，需要做很多记录，不仅仅是得到内存那么简单。

17. 更糟糕的情况是：如果你想要非常多的内存，超过了空闲列表，超过了操作系统给你的初始分配，这个时候，你的程序，你的应用需要询问你的操作系统，我需要更多的内存，这是非常麻烦的，潜在的成本是巨大的。

18. 总的来说，在堆上分配内存，有一大堆的事情，而在栈上分配内存，就像一条CPU指令，非常快速。

19. 我希望大家都明白，事实上，你应该尽量在栈上分配，如果可能的话。

20. 在堆上分配的唯一原因：是你不能够在栈上分配。比如需要这个生命周期比函数、或你处理的作用域更长；或者你需要个大数据，比如50M，这就不适合在栈上分配，你不得不在堆上分配。

21. 只要可以，你就应该在栈上分配内存，因为它就像一条CPU指令一样，非常快。这是非常非常真实的性能差异。

22. 性能的不同是因为分配的不同，所以理论上讲，如果你预先分配，比如4G内存块，在你的程序运行之前，在堆上。然后你要从预先分配的4G内存块中再进行堆数据分配，那么这就和栈分配基本上一样了，唯一需要处理的是cpu cache miss (缓存不命中)的问题，但他们的数量可能不够造成麻烦。

23. 所以当你new对象时，你需要检查空闲列表，请求内存，然后记录这些，这些就是堆相比于栈慢的地方；而实际的访问（指CPU、缓存）通常可以忽略不计，是通常，但不总是。

24. 我们可能会讨论更多CPU缓存优化的内容，如果你正在编写一个100万个元素的集合，然后每个元素都会cache miss，你会看到一个非常真实的性能差异。如果你所有的东西都是连续的或者碎片的。

三、游戏案例讨论

当我们真正开始游戏引擎系列时，我们讲不得不花大量时间讨论分配问题，因为这在现实应用中很重要，而现实世界的应用程序是实时的应用程序，所以这对游戏来说非常重要，不能连续地一帧一帧地分配，因为这会很慢。所以我们必须想出一些聪明的内存管理技术，如果我们想要我们的游戏更有效率的话。所以我们一定要在游戏引擎系列讨论这个问题。

学习代码：

#include<iostream>

struct Vector3 {
	int x, y, z;
	Vector3(): x(10), y(20), z(30) {}
};

void testStackHeap() {
	//栈
	int a = 10;
	int arr[5];
	Vector3 v1;

	//堆
	int* heapA = new int(10);
	int* heapArr = new int[5];
	Vector3* heapV = new Vector3();
	
	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		arr[i] = i + 1;
	}
	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		heapArr[i] = i + 1;
	}
}

int main() {
	testStackHeap();
	std::cin.get();
}