[探索 5 分鐘] stack 與 heap 的底層概念

這是經典的概念題。要寫出能動的程式很簡單, 要去解釋背後的記憶體管理運用原則, 還是需要一點時間內化。而且不知道為什麼, 一般的軟體工程師跟架構師來說這兩個詞, 那個講起來那個味道就是不太一樣, 有時候面談別人時, 還會覺得有些求職者有獨到的見解。

簡單來說, 從記憶體配置的角度, 用一個二分法

• stack 用於靜態記憶體配置, 大陸翻譯為棧, 棧, 棧 (why ?)
• heap 用於動態記憶體配置, 大陸翻譯為堆

抱怨一下, 堆跟棧我一直覺得命名混亂, 用 Google 翻譯也會發現 stack 跟 heap 都翻譯為堆疊的「堆」, 連 Google 都搞錯了, 所以後面還是用英文來說吧。

這張 All-in-one 的圖是我目前最喜歡的圖像解釋, 來源是 Six important .NET concepts: Stack, heap, value types, reference types, boxing, and unboxing :

首先記得這個範例, 圖片是由上而下逐行介紹,

public void Method1()
{
    int i = 4; //Line1
    int y = 2; //Line2
    Class1 cls1 = new Class1(); //Line3
}

總結是 :

• value type 的變數, 包括指標變數會放在 stack
• reference type 的變數 (如 string, object) 本身也會放 stack, 然而他的值 (value) 則是放 heap
• boxing 就是 value types to reference types 的過程, 所以 value 會被放到 heap 中, 而產生一個 object 變數來指向這個 value, 變數指標則是在 stack
• unboxing 是  reference types to value types 的過程,  所以原本 object 所指向的值 (heap 中) 會被複製到 stack 中並賦予明確 value type 型別

深入 Stack

現在回到最原點, 我們略懂 stack 與 heap 的區別了, 但還是沒有一個「感覺」對不對 ? 因為我們不懂 why。我個人建議有空可以 K 一下這篇 stack (英文, 請慎入)  掌握 stack 的記憶體運作原則, heap 的運作待補。筆記如下 :

• 記憶體 - 資料存放的角度
• 記憶體 - 程式運行的角度

記憶體 - 資料存放的角度

stack 的操作特色是 LIFO (last in, first out), 所以依序呼叫 push(), push(), pop() 後, 是第二個 push 進去的資料會被 pop 出來, 而不是第一個 (相反的叫 FIFO, 一般的 queue 就是這個行為)。

push:  addi $sp, $sp, -4  # Decrement stack pointer by 4
       sw   $r3, 0($sp)   # Save $r3 to stack

pop:  lw   $r3, 0($sp)   # Copy from stack to $r3
      addi $sp, $sp, 4   # Increment stack pointer by 4

push() 的記憶體核心操作其實是在記憶體中的堆疊位址 (Stack Pointer) 先往低位址移動  (0x00100000 → 0x000ffffc), 然後在新位址 (0x000ffffc) 存入資料; 相反地, pop() 則是先把目前位址 (0x000ffffc) 的值 copy 出來 (通常我們會想取得 pop 出來的值的吧, 丟掉可惜了), 然後記憶體中的堆疊位址再回到上一個 SP (0x000ffffc → 0x00100000)。

記憶體 - 程式運行的角度

讓我們從一段 C 語言程式碼反窺 stack 如何支持程式運行 :

#include <iostream>  
  
using namespace std;  
int main( int argc, char *argv[], char *envp[] )
{  
 int i = 1;  
 foo(i, argc);
 cout << "Hello World !" << "\n";  
}  

原來一段程式碼能更運作, 並非想像中這麼單純, 但讀懂之後就慢慢開啟了計算機的奧秘。 overall 來看, 是進入 main() → 呼叫 foo() → 結束 main() 的過程, 但從細節來說, 是這樣的 :

• 粗略版 : 進入 main() → 呼叫 foo() → 結束 main()
• 粗略版 : 進入 main() → 呼叫 foo() → 結束 foo() → 結束 main()
• 細微版 : 進入 main() → 儲存 main 區域變數與呼叫參數 → 呼叫 foo() → 儲存 foo 區域變數與呼叫參數 → 結束 foo() → 結束 main()
• 精緻版 : 進入 main() → 儲存 main 區域變數與呼叫參數 → 配置foo 回傳結果位址 → 呼叫  foo() → 儲存 foo 區域變數與呼叫參數 → 結束 foo() → 回存 foo 回傳結果→ 接續執行 main() → 結束 main()

如此, 每個 stack 內的 pointer 指向很明確的目標, 一路往上堆疊深入運行, 再一路返回到呼叫原點, 是不是開始覺得 LIFO 這個設計概念設計的偉大之處, 這就是 stack。提醒一下, 如上圖顯示, 可以看到 stack 的記憶體空間是有個極限的, 萬一堆太高堆太深堆到爆掉, 就會發生 System.StackOverflowException 的錯誤, 太多層的 loop 或 recursive 都很容易發生的。

參考資料

• StackOverflowException Class
• C# Heap(ing) Vs Stack(ing) In .NET - Part One
• Six Important .NET Concepts: Stack, Heap, Value Types, Reference Types, Boxing, and Unboxing
• Stack vs Heap Memory Allocation
• 7. Memory : Stack vs Heap