Введение
Что такое стек и куча? И то, и то область памяти, но с разными механизмами распределения и управления ресурсами памяти. И то, и другое выступает в качестве хранилища данных, но они отличаются вариантами применения, жизненными циклами и функциональностью.
В некоторых языках программирования разработчики могут выделять память вручную. Но то, где находятся данные, в стеке или в куче, чаще всего зависит от типа данных и ограничений языка или платформы.
Давайте разберемся, чем же отличаются стек и куча, а также узнаем, почему они так важны для эффективного управления памятью и выполнения программ.
Что такое стек?
Стек – это определенная область памяти, где компьютерные программы в течение какого-то времени хранят данные. Это блок непрерывной памяти, где при вызове функции данные появляются, а при ее завершении – удаляются.
Стековая память работает по принципу «последним пришел – первым ушел» (LIFO - Last-In-First-Out). Иными словами, последний элемент, добавленный в стек, будет первым элементом, который будет оттуда удален (вытолкнут).
Когда программа получает указание выполнить функции посредством ее вызова, создается новый элемент, так называемый стековый кадр, и помещается в стек для вызова этой функции. Стековый кадр содержит:
- Локальные переменные функции
- Параметры, передаваемые в функцию
- Возвратный адрес, который сообщает программе, где продолжить выполнение после завершения функции.
- Прочая справочная информация, например, указатель базового регистра предыдущего кадра.
Когда выполнение функции завершится, стековый кадр выталкивается из стека, и система передает управление по возвратному адресу, который был указан в кадре.
Преимущества стека
Использование стековой памяти при выполнении программ дает следующие преимущества:
- Быстрое выделение/освобождение памяти. Выделение и освобождение памяти в стеке происходит быстро и осуществляется простой процедурой изменения значения указателя стека. Для того, чтобы выделить память, указатель стека перемещается вверх, а для того, чтобы освободить память, - вниз (в некоторых системах может быть наоборот).
- Автоматическое управление памятью. Управление пространством памяти в стеке происходит в автоматическом режиме. При вызове функции для локальных переменных автоматически выделяется пространство, а при выходе из функции оно освобождается.
- Отсутствие фрагментации. Память выделяется последовательно, что исключает фрагментацию памяти и обеспечивает эффективное использование свободного пространства.
- Быстрый доступ к данным. Последовательное выделение памяти обеспечивает грамотное расположение кэша. В результате, доступ к данным осуществляется быстро, а производительность повышается.
- Прогнозируемый срок жизни. Переменные в стеке существуют только в течение времени действия функции или области, в которой они находятся. Такая прогнозируемость упрощает написание и чтение кода.
- Меньшее потребление ресурсов. Выделение стековой памяти требует минимального количества ресурсов и не требует сложных алгоритмов и метаданных.
Недостатки стека
У стековой памяти много преимуществ, но у нее также есть и недостатки:
- Ограниченный размер. Память стека ограничена, и стоит ей закончится, как тут же происходит переполнение стека, что, в свою очередь приводит к сбою программы. Таким образом, стек непригоден для хранения больших объемов данных.
Примечание: ограниченный размер стека является недостатком, но он также выполняет функцию механизма защиты. Система обнаруживает, что стек переполнен, и программа тут же завершает работу. А вот утечка памяти в куче может оставаться незамеченной в течение долгого времени, возможно, даже до тех пор, пока не будет израсходована вся доступная память системы.
- Ограниченный доступ. Принцип работы стека «последним пришел – первым ушел» означает, что все стандартные операции в первую очередь выполняются для вершины стека. Прямой доступ к другим ячейкам стека, находящимся за пределами текущей области, может привести к ошибкам.
- Срок жизни переменных. После того, как функция или блок кода, завершили свою работу, переменные освобождаются автоматически, что делает их непригодными для данных, которые необходимо хранить для нескольких функций.
- Нельзя изменить размер. После того, как блоки памяти были выделены в стеке, поменять их размер нельзя. Например, если вы выделите слишком мало памяти в стеке для массива, его размер нельзя будет изменить, как это можно было бы сделать в случае с динамически выделяемой памятью.
- Отсутствие ручного управления. Конечно, автоматическое выделение стековой памяти можно рассматривать как преимущество, но в случаях, когда требуется больший контроль над выделением и освобождением памяти, это недостаток.
Что такое куча?
Куча – это область памяти в компьютере, которая используется для динамического выделения памяти. В куче переменные необходимо создавать и удалять явным образом. Например, разработчики С и С++ для выделения и освобождения памяти используют такие функции и операторы, как malloc(), free(), new и delete.
Как правило, куча используется в следующих случаях:
- Когда вы не знаете количество необходимой памяти для какой-либо структуры данных, например, массива или объекта, до начала выполнения программы
- Когда вам нужно сохранить данные после завершения одного вызова функции
- Когда существует вероятность того, что в будущем вам потребуется изменить размер выделенной памяти
Примечание: в некоторых языках, например, Java и Python, есть сборщики мусора, которые автоматически освобождают неиспользуемую память.
Преимущества кучи
Выделение памяти с помощью кучи имеет несколько преимуществ:
- Динамическое выделение памяти. Программы могут выделять необходимое количество памяти непосредственно во время выполнения, что приводит к более эффективному использованию памяти.
- Срок жизни переменных. Объекты, хранящиеся в куче, будут находиться там до тех пор, пока память, выделенная под них, не будет явно освобождена или пока программа не завершится. Они способны «пережить» вызов функции, которая их создала, что крайне полезно, когда данные должны сохраняться после нескольких вызовов функции или даже на протяжении всей программы.
- Большой пул памяти. У кучи гораздо больший пул памяти, чем у стека. Она подходит для выделения памяти для более крупных структур данных или структур данных, которые могут расти, например, массивов или списков.
- Гибкость. Так как куча способна увеличиваться или уменьшаться в рамках доступной памяти в системе, она проще справляется с потребностями, меняющимися в процессе выполнения программы.
- Глобальный доступ. Куча доступна глобально, то есть к ней можно обращаться, и ее можно изменять из любой части кода, и она не привязана к стеку вызовов. Возможность использовать данные в разных частях программы или даже в разных потоках является очевидным преимуществом.
- Возможность многократного использования. После того, как память в куче была освобождена, ее можно использовать повторно, то есть выделять заново, что делает ее ресурсом многократного использования.
- Поддержка сложных структур. Куча позволяет создавать и управлять сложными структурами данных, например, деревьями, графами и связными списками, а это может требовать частого динамического выделения и освобождения памяти.
Недостатки кучи
Несмотря на то, что куча имеет множество преимуществ, у нее также есть ряд недостатков:
- Ручное управление памятью. Куча требует явного управления. Разработчикам необходимо вручную выделять и освобождать память, что может привести к потенциальным ошибкам и потреблению излишних ресурсов.
- Утечки памяти. Если после того, как функция завершилась, память не была освобождена, это может привести к утечкам памяти. Это значит, что программа продолжает потреблять память, что в конечном итоге приведет к ошибкам нехватки памяти, особенно это касается приложений, которые работают в течение длительного времени.
- Фрагментация. Память в куче выделяется и освобождается динамически. Это может привести к появлению неиспользуемых блоков памяти, разбросанных по всей куче (внешней фрагментации), или небольшим бесполезно использованным пространствам внутри выделенных блоков (внутренней фрагментации).
- Медленный доступ. Процесс получения доступа к переменным в куче, как правило, занимает больше времени, чем в стеке.
- Висячие указатели. Указатели, которые ссылаются на освобожденные области памяти, могут превратиться в висячие указатели. Доступ к данным или изменение данных с помощью таких указателей может привести к непредсказуемому поведению.
- Проблемы с многопоточным выполнением. Доступ к куче или ее изменение в нескольких потоках без надлежащей синхронизации может привести к повреждению данных.
- Возможны ошибки. Из-за того, что управление памятью в куче производится вручную, существует повышенная вероятность ошибок double-free (это когда разработчик пытается освободить уже освобожденную память).
Примечание: чтобы предотвратить утечки памяти и непредвиденное поведение программы, всегда освобождайте память из кучи, когда она больше не нужна.
Стек и куча: различия
В следующей таблице продемонстрированы основные различия между стеком и кучей:
Параметр |
Стек |
Куча |
Выделение памяти |
Система выделяет память автоматически |
Пользователь должен выделять память вручную |
Структура |
Память выделается в виде непрерывного блока (принцип LIFO) |
Блоки памяти могут выделяться и освобождаться в любой момент времени |
Скорость доступа |
Быстрее за счет подхода LIFO |
Медленнее за счет ручного поиска и управления блоками |
Ограничение размера |
Заранее определенный и фиксированный размер, ограниченный параметрами ОС |
Больший изменяемый размер |
Доступность |
Привязан к стеку вызовов |
Получить доступ к ней или изменить ее можно из любой части кода |
Применение |
Подходит для небольших структур данных с коротким жизненным циклом |
Динамическое выделение памяти подходит для данных, размер которых определяется во время выполнения программы |
Время жизни |
Переменные стековой памяти освобождаются автоматически при выходе из функции или блока, где они находятся |
Переменные существуют до тех пор, пока пользователь (или сборщик мусора, в зависимости от языка) не освободит его явным образом |
Безопасность потоков |
По природе потокобезопасен, так как каждый поток получает свой собственный стек |
Безопасность потоков необходимо обеспечивать самостоятельно. Отсутствие синхронизации может привести к проблемам многопоточного выполнения |
Гибкость |
Размер фиксирован и устанавливает при запуске программы. Он не может динамически увеличиваться или уменьшаться |
Гибкая и может увеличиваться и уменьшаться по мере необходимости |
Фрагментация |
Фрагментация отсутствует или минимальна |
Может страдать фрагментацией и со временем приводить к неэффективному использованию памяти |
Надежность |
Меньше подвержен утечкам памяти |
Ненадлежащее управление может привести к утечкам памяти или непредвиденному поведению |
Стек или куча: что выбрать?
Выбирая между стеком и кучей, стоит учитывать такие факторы, как объем и жизненный цикл данных. В следующем списке представлены рекомендации по тому, когда нужно использовать стековую память, когда динамическую (кучу):
Стековую память следует использовать, когда:
- Данные нужны только внутри определенной функции или блока и имеют ограниченный срок жизни
- Вы работаете с небольшими структурами данных
- Размерами данных можно управлять, а скорость доступа является критически важным фактором
- Вы не хотите управлять памятью вручную
- Данные должны быть ограничены определенной областью, например, одной функцией
Динамическую память следует использовать, когда:
- Вам нужно, чтобы данные сохранялись за пределами функции, где они были созданы, или если у них неоднозначный жизненный цикл, который нельзя определить во время компиляции
- Вы работаете с крупными структурами данных или их размер нельзя предсказать во время компиляции
- Вам нужен больший контроль над памятью
- Необходимо, чтобы данные были доступны из нескольких функций или областей
- Структуры данных, например, массивы, которые могут увеличиваться, требуют изменения размера
Заключение
Теперь вы понимаете, чем отличается стек от кучи, и даже знаете их преимущества, недостатки и варианты применения.
Несмотря на то, что нельзя выбрать какой-то один тип памяти, изучение того, как каждый из них работает, поможет вам более эффективно управлять ресурсами памяти и лучше ориентироваться на нужды своего приложения.
