堆内存简介

简介

回顾一下，代码编译过程的结果是一个可执行文件。该文件包含多个部分，例如：

• 静态段

  • 它们在可执行文件中实际存在。运行时，这些段会被加载到内存中。
  • 例子：.text、.data、.rodata 和 .bss

• 动态段

  • 它们在可执行文件中并不实际存在。可执行文件仅保存对内存区域的引用。
  • 操作系统负责分配这些内存区域，并修改可执行文件中的引用，使其指向已分配的内存。
  • 例子：.stack 和 .heap

栈和堆共享同一块内存区域，但它们从不同的端点开始生长。栈从顶部开始向下增长，而堆从底部开始向上增长。

在执行 push 操作时，栈向下增长，为变量腾出空间；同样地，当我们请求内存时，堆也会增长（稍后会详细介绍）。
栈和堆都有最大大小限制，以确保它们不会无限增长并相互重叠。

以下是内存布局示意图：

动机

当需要分配较大的内存块时，堆非常有用。栈的空间较小，当我们尝试定义几个大数组时，很容易耗尽栈空间。

例如，下面这段代码在第 7 行因使用过多栈内存而导致段错误（segmentation fault）。

我们试图分配 9999999 * sizeof(long long) = 799999920 字节，约等于 0.8 吉字节 的数据。栈并非为大规模内存分配设计，无法容纳如此大的数组。

1#include <stdio.h>
2
3#define ARR_SIZE 9999999
4
5void func()
6{
7    long long arr[ARR_SIZE];
8
9    for(int i = 0; i < ARR_SIZE; i++)
10    {
11        arr[i] = i;
12        printf("%d\n", arr[i]);
13    }
14}
15
16int main()
17{
18    func();
19
20    return 0;
21}

让我们看看栈空间有多大。为此，我们可以调用 Linux 提供的 getrlimit 函数。

1#include <stdio.h>
2#include <sys/resource.h>
3
4int main(void)
5{
6    struct rlimit stackLimit;
7    getrlimit(RLIMIT_STACK, &stackLimit);
8    printf("栈空间限制: %lu\n", stackLimit.rlim_cur);
9}

结果显示限制为 8388608 字节。理论上，这是我们可以一次性分配的最大内存。然而，栈还需要保存调用函数的栈帧、调用者的调用者栈帧等（如果存在的话）。

因此，我们无法分配一个总大小为 8388608 字节的数组，因为栈还需要存储其他数据，包括：

• 返回地址
• 参数
• 调用者的局部变量

实用性

有人可能会说，空间不是问题，因为我们通常不需要这么多数据。但实际上，内存需求可能迅速增长。

例如，考虑一个三维数组 long long arr[500][500][500]，这看起来是一个相当合理的数组，对吧？
但它实际上占用了 500 * 500 * 500 * sizeof(long long) = 1000000000 字节 = 1 吉字节。

显然，栈无法容纳这么大的数据。虽然某些系统的栈空间更大，有些更小，但将如此大量的内存放在栈上是不可行的。

此外，如果我们在很深的调用栈中，甚至可能仅仅为了保存返回地址就耗尽栈空间。这在递归函数中是一个常见问题。

我们可以把大数组放在全局作用域中，但这会导致它们在整个程序中都可见，可能不符合我们的设计意图。

解决方案是将数据分配在堆上。我们说，堆允许我们进行动态内存分配。

注意：栈和堆之间还有更多区别，但目前只需记住，堆是另一个可以分配内存的区域。