问题

程序中的堆和栈大小是动态变化的,还是相对固定的?

回答
程序运行时,其内存空间主要由堆和栈两部分组成,它们的大小变化情况确实是理解程序内存管理的关键。要详细地说清楚这个问题,我们需要逐一剖析堆和栈的特性。

栈(Stack):动态但有上限的“线性增长”

栈,在计算机科学里,是一种遵循“后进先出”(LIFO)原则的数据结构。在程序执行时,栈主要负责管理函数调用和局部变量的生命周期。

函数调用时的栈帧(Stack Frame): 每次函数被调用时,会在栈顶创建一个新的“栈帧”。这个栈帧包含了函数调用时所需的局部变量、函数参数、返回地址等信息。当函数执行完毕,它的栈帧就会从栈顶弹出,释放内存。
动态增长与收缩: 你可以把栈想象成一个叠盘子。每次函数调用就像在盘子顶上放一个新盘子(栈帧),而函数返回就像拿走最上面的盘子。这个过程是动态的。当程序进入一个函数时,栈就增长;当函数返回时,栈就收缩。从这个意义上说,栈的大小是动态变化的。
相对固定(但不是绝对的): 然而,这里的“动态”是有条件的。每个进程在创建之初,操作系统会为其分配一个固定大小的栈空间。这个大小虽然不是在编译时就写死的,但在程序运行时,这个栈的总容量是相对固定的,并不会无限增长。如果函数调用过于频繁,或者递归深度过大,导致栈空间耗尽,就会发生著名的“栈溢出”(Stack Overflow)错误,程序通常会因此崩溃。所以,虽然栈的内容是在动态增减的,但它的总容量是有预设上限的。这个上限在不同的操作系统、不同的编译选项下可能有所不同。

堆(Heap):真正意义上的“动态分配”

堆,则与栈的机制完全不同。堆是程序运行时动态分配内存的主要区域,用于存储那些生命周期不确定或需要根据程序运行需求来确定的数据,比如通过 `malloc` (C语言)、`new` (C++语言) 或 `new` (Java、Python等语言的某些对象) 申请的内存。

程序员的掌控: 与栈由编译器和运行时环境自动管理不同,堆上的内存分配和释放通常是由程序员显式控制的。当你需要一块内存时,就向堆管理器请求(如 `malloc`),它会找到一块足够大的空闲内存返回给你;当你不再需要这块内存时,就需要显式地将其释放(如 `free`)。
无固定上限(理论上): 堆的大小不像栈那样有一个明确的预设上限。理论上,只要操作系统还有可用的物理内存和虚拟内存,堆就可以不断地增长来满足内存分配请求。程序可以通过不断地在堆上分配内存,使得堆不断扩张。
碎片化与垃圾回收: 然而,堆的动态性也带来了一些挑战。频繁的分配和释放操作可能会导致堆内存出现“碎片化”,即有大量的零散小块空闲内存,虽然总空闲内存可能很多,但难以找到一块连续的大块内存来满足较大的分配请求。一些现代语言(如Java、Python、JavaScript)通过垃圾回收(Garbage Collection,GC)机制来自动管理堆内存。GC会检测哪些堆上的对象不再被引用,然后自动释放它们占用的内存,这在一定程度上减轻了程序员的负担,也解决了部分碎片化问题,但GC本身也会带来额外的开销和性能影响。
内存泄漏(Memory Leak): 如果程序员在堆上分配了内存,但忘记或错误地释放了它,那么这块内存就会一直被占用,直到程序结束。这被称为“内存泄漏”。随着时间的推移,大量的内存泄漏会导致程序占用的内存越来越多,最终可能耗尽所有可用内存,导致程序性能下降甚至崩溃。

总结一下:

栈: 更像是一个“管家婆”,负责函数调用的生命周期管理。它的“动态”体现在函数调用时栈帧的进出,但总容量是相对固定的,有明确的上限。一旦超出这个上限,就会发生栈溢出。
堆: 是一个“仓库管理员”,负责根据程序的需求动态分配和释放内存。它的“动态”是真正意义上的,理论上可以随着程序的需要不断扩张,但受限于系统总内存,并且需要程序员(或GC)负责管理其“整洁度”,否则可能导致内存泄漏或碎片化。

所以,更准确的说法是:

栈的大小变化是围绕其固定总容量进行的“增减”。
堆的大小变化是更自由的“扩张与收缩”,其总容量在程序运行时是高度动态的。

理解这两者的区别和特性,对于写出健壮、高效的程序至关重要。

网友意见

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堆和栈的大小在加载的时候是确定的,但也是可以调整的,是否允许动态调整完全看操作系统是否支持。

所以,两个问题:

1. 你用的OS是什么?
2. 你用的开发语言是什么?

栈是面向于线程的,堆有可能是整个进程共用的,也可能是有好几个堆,每个线程用各自的。

Windows里MSDN有讲:

       BOOL WINAPI SetThreadStackGuarantee(   __inout  PULONG StackSizeInBytes );      

StackSizeInBytes
The size of the stack, in bytes. On return, this value is set to the size of the previous stack, in bytes.
If this parameter is 0 (zero), the function succeeds and the parameter contains the size of the current stack.
If the specified size is less than the current size, the function succeeds but ignores this request. Therefore, you cannot use this function to reduce the size of the stack.
This value cannot be larger than the reserved stack size.


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