这个问题可能听起来相当简单,但这是我与另一位开发人员的争论。

我小心地在我可以的地方进行堆栈分配,而不是堆分配。他和我说话,看着我的肩膀,并评论说,这是没有必要的,因为他们的表现是一样的。

在我的印象中,增加堆栈是一个常数时间,而堆分配的性能取决于当前堆的复杂性,包括分配(找到合适大小的孔)和反分配(缩小孔以减少碎片,如果我没有弄错的话,许多标准库实现在删除过程中需要时间来做这件事)。

在我看来,这可能非常依赖于编译器。在这个项目中,我特别使用了一个用于PPC架构的Metrowerks编译器。对这种组合的深入了解将是最有帮助的,但一般来说,对于GCC和msvc++,情况如何?堆分配不如堆栈分配高效吗?没有区别吗?还是差异如此之小以至于变成了毫无意义的微观优化。


当前回答

堆栈的容量有限,而堆则不是。一个进程或线程的典型堆栈大约是8K。一旦分配,就不能更改大小。

堆栈变量遵循作用域规则,而堆变量则不遵循。如果你的指令指针超出了一个函数,所有与该函数相关的新变量都会消失。

最重要的是,您无法预先预测整个函数调用链。因此,仅200字节的分配就可能导致堆栈溢出。如果您正在编写一个库,而不是应用程序,这一点尤其重要。

其他回答

前面提到过,堆栈分配只是移动堆栈指针,即大多数架构上的一条指令。将其与堆分配中通常发生的情况进行比较。

操作系统以链表的形式维护部分空闲内存,有效负载数据由指向空闲部分起始地址的指针和空闲部分的大小组成。为了分配X字节的内存,将遍历链表,并按顺序访问每个音符,检查其大小是否至少为X。当找到大小为P >= X的部分时,将P分成大小为X和P-X的两个部分。更新链表并返回指向第一部分的指针。

如您所见,堆分配取决于许多因素,如您请求的内存大小、内存的碎片程度等等。

自然,堆栈分配更快。使用堆分配,分配器必须在某处找到空闲内存。使用堆栈分配,编译器只需要给你的函数一个更大的堆栈框架就可以完成,这意味着分配完全不需要花费时间。(我假设您没有使用alloca或任何东西来动态分配堆栈空间,但即使这样,它也非常快。)

但是,您必须警惕隐藏的动态分配。例如:

void some_func()
{
    std::vector<int> my_vector(0x1000);
    // Do stuff with the vector...
}

您可能认为这会在堆栈上分配4 KiB,但您错了。它在堆栈上分配vector实例,但该vector实例又在堆上分配它的4 KiB,因为vector总是在堆上分配它的内部数组(至少除非您指定了一个自定义分配器,这里我不会深入讨论)。如果您希望使用类似stl的容器在堆栈上进行分配,则可能需要std::array或boost::static_vector(由外部boost库提供)。

尽管堆分配器可以简单地使用基于堆栈的分配技术,但堆栈分配几乎总是与堆分配一样快或更快。

However, there are larger issues when dealing with the overall performance of stack vs. heap based allocation (or in slightly better terms, local vs. external allocation). Usually, heap (external) allocation is slow because it is dealing with many different kinds of allocations and allocation patterns. Reducing the scope of the allocator you are using (making it local to the algorithm/code) will tend to increase performance without any major changes. Adding better structure to your allocation patterns, for example, forcing a LIFO ordering on allocation and deallocation pairs can also improve your allocator's performance by using the allocator in a simpler and more structured way. Or, you can use or write an allocator tuned for your particular allocation pattern; most programs allocate a few discrete sizes frequently, so a heap that is based on a lookaside buffer of a few fixed (preferably known) sizes will perform extremely well. Windows uses its low-fragmentation-heap for this very reason.

另一方面,如果线程太多,在32位内存范围上基于堆栈的分配也充满了危险。堆栈需要一个连续的内存范围,因此线程越多,就需要更多的虚拟地址空间来让它们在没有堆栈溢出的情况下运行。对于64位的程序来说,这(目前)不是问题,但是对于具有大量线程的长时间运行的程序来说,它肯定会造成严重破坏。由于碎片化而导致虚拟地址空间耗尽总是一件令人痛苦的事情。

您可以为特定大小的对象编写一个非常高性能的特殊堆分配器。但是,一般的堆分配器性能不是特别好。

我也同意Torbjörn Gyllebring关于对象的预期生命期的观点。好点!

Remark that the considerations are typically not about speed and performance when choosing stack versus heap allocation. The stack acts like a stack, which means it is well suited for pushing blocks and popping them again, last in, first out. Execution of procedures is also stack-like, last procedure entered is first to be exited. In most programming languages, all the variables needed in a procedure will only be visible during the procedure's execution, thus they are pushed upon entering a procedure and popped off the stack upon exit or return.

现在来看一个不能使用堆栈的例子:

Proc P
{
  pointer x;
  Proc S
  {
    pointer y;
    y = allocate_some_data();
    x = y;
  }
}

If you allocate some memory in procedure S and put it on the stack and then exit S, the allocated data will be popped off the stack. But the variable x in P also pointed to that data, so x is now pointing to some place underneath the stack pointer (assume stack grows downwards) with an unknown content. The content might still be there if the stack pointer is just moved up without clearing the data beneath it, but if you start allocating new data on the stack, the pointer x might actually point to that new data instead.