栈和堆区的区别等

转载自http://blog.csdn.net/slj_win/article/details/8608436

堆和栈的区别
1、预备知识—程序的内存分配
一个由c/C++编译的程序占用的内存分为如下几个部分
一、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操做方式相似于数据结构中的栈。
二、堆区（heap） — 通常由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式却是相似于链表，呵呵。
三、全局区（静态区）（static）—，全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另外一块区域。 - 程序结束后有系统释放 
四、文字常量区—常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放
五、程序代码区—存放函数体的二进制代码。
2、例子程序 
这是一个前辈写的，很是详细 
//main.cpp 
int a = 0; 全局初始化区 
char *p1; 全局未初始化区 
main() 
{ 
int b; 栈 
char s[] = "abc"; 栈 
char *p2; 栈 
char *p3 = "123456"; 123456\0在常量区，p3在栈上。 
static int c =0； 全局（静态）初始化区 
p1 = (char *)malloc(10); 
p2 = (char *)malloc(20); 
分配得来得10和20字节的区域就在堆区。 
strcpy(p1, "123456"); 123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。 
}

 

2、堆和栈的理论知识 
2.1申请方式 
stack: 
由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间 
heap: 
须要程序员本身申请，并指明大小，在c中malloc函数 
如p1 = (char *)malloc(10); 
在C++中用new运算符 
如p2 = (char *)malloc(10); 
可是注意p一、p2自己是在栈中的。

2.2 
申请后系统的响应 
栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，不然将报异常提示栈溢出。 
堆：首先应该知道操做系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时， 
会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，而后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块 内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，因为找到的堆结点的大小不必定正好等于申请的 大小，系统会自动的将多余的那部分从新放入空闲链表中。

2.3申请大小的限制 
栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就肯定的常数），若是申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因 此，能从栈得到的空间较小。 
堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是因为系统是用链表来存储的空闲内存地址的，天然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。因而可知，堆得到的空间比较灵活，也比较大。

2.4申请效率的比较： 
栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是没法控制的。 
堆是由new分配的内存，通常速度比较慢，并且容易产生内存碎片,不过用起来最方便. 
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。可是速度快，也最灵活。

2.5堆和栈中的存储内容 
栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，而后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，而后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。 
当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，而后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。 
堆：通常是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

2.6存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"; 
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"; 
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的； 
而bbbbbbbbbbb是在编译时就肯定的； 
可是，在之后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。 
好比： 
#include 
void main() 
{ 
char a = 1; 
char c[] = "1234567890"; 
char *p ="1234567890"; 
a = c[1]; 
a = p[1]; 
return; 
} 
对应的汇编代码 
10: a = c[1]; 
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh] 
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl 
11: a = p[1]; 
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h] 
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1] 
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al 
第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。

2.7小结： 
堆和栈的区别能够用以下的比喻来看出： 
使用栈就象咱们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，没必要理会切菜、洗菜等准备工做和洗碗、刷锅等扫尾工做，他的好处是快捷，可是自由度小。 
使用堆就象是本身动手作喜欢吃的菜肴，比较麻烦，可是比较符合本身的口味，并且自由度大。

windows进程中的内存结构

在阅读本文以前，若是你连堆栈是什么多不知道的话，请先阅读文章后面的基础知识。

接触过编程的人都知道，高级语言都能经过变量名来访问内存中的数据。那么这些变量在内存中是如何存放的呢？程序又是如何使用这些变量的呢？下面就会对此进行深刻的讨论。下文中的C语言代码如没有特别声明，默认都使用VC编译的release版。

首先，来了解一下 C 语言的变量是如何在内存分部的。C 语言有全局变量(Global)、本地变量(Local)，静态变量(Static)、寄存器变量(Regeister)。每种变量都有不一样的分配方式。先来看下面这段代码：

#include <stdio.h>

int g1=0, g2=0, g3=0;

int main() 
{ 
static int s1=0, s2=0, s3=0; 
int v1=0, v2=0, v3=0;

//打印出各个变量的内存地址

printf("0x%08x\n",&v1); //打印各本地变量的内存地址 
printf("0x%08x\n",&v2); 
printf("0x%08x\n\n",&v3); 
printf("0x%08x\n",&g1); //打印各全局变量的内存地址 
printf("0x%08x\n",&g2); 
printf("0x%08x\n\n",&g3); 
printf("0x%08x\n",&s1); //打印各静态变量的内存地址 
printf("0x%08x\n",&s2); 
printf("0x%08x\n\n",&s3); 
return 0; 
}

编译后的执行结果是：

0x0012ff78 
0x0012ff7c 
0x0012ff80

0x004068d0 
0x004068d4 
0x004068d8

0x004068dc 
0x004068e0 
0x004068e4

输出的结果就是变量的内存地址。其中v1,v2,v3是本地变量，g1,g2,g3是全局变量，s1,s2,s3是静态变量。你能够看到这些变量在 内存是连续分布的，可是本地变量和全局变量分配的内存地址差了十万八千里，而全局变量和静态变量分配的内存是连续的。这是由于本地变量和全局/静态变量是 分配在不一样类型的内存区域中的结果。对于一个进程的内存空间而言，能够在逻辑上分红3个部份：代码区，静态数据区和动态数据区。动态数据区通常就是“堆 栈”。“栈(stack)”和“堆(heap)”是两种不一样的动态数据区，栈是一种线性结构，堆是一种链式结构。进程的每一个线程都有私有的“栈”，因此每 个线程虽然代码同样，但本地变量的数据都是互不干扰。一个堆栈能够经过“基地址”和“栈顶”地址来描述。全局变量和静态变量分配在静态数据区，本地变量分 配在动态数据区，即堆栈中。程序经过堆栈的基地址和偏移量来访问本地变量。

├———————┤低端内存区域 
│ …… │ 
├———————┤ 
│ 动态数据区 │ 
├———————┤ 
│ …… │ 
├———————┤ 
│ 代码区 │ 
├———————┤ 
│ 静态数据区 │ 
├———————┤ 
│ …… │ 
├———————┤高端内存区域

堆栈是一个先进后出的数据结构，栈顶地址老是小于等于栈的基地址。咱们能够先了解一下函数调用的过程，以便对堆栈在程序中的做用有更深刻的了解。不一样的语 言有不一样的函数调用规定，这些因素有参数的压入规则和堆栈的平衡。windows API的调用规则和ANSI C的函数调用规则是不同的，前者由被调函数调整堆栈，后者由调用者调整堆栈。二者经过“__stdcall”和“__cdecl”前缀区分。先看下面这 段代码：

#include <stdio.h>

void __stdcall func(int param1,int param2,int param3) 
{ 
int var1=param1; 
int var2=param2; 
int var3=param3; 
printf("0x%08x\n",?m1); //打印出各个变量的内存地址 
printf("0x%08x\n",?m2); 
printf("0x%08x\n\n",?m3); 
printf("0x%08x\n",&var1); 
printf("0x%08x\n",&var2); 
printf("0x%08x\n\n",&var3); 
return; 
}

int main() 
{ 
func(1,2,3); 
return 0; 
}

编译后的执行结果是：

0x0012ff78 
0x0012ff7c 
0x0012ff80

0x0012ff68 
0x0012ff6c 
0x0012ff70

├———————┤<—函数执行时的栈顶（ESP）、低端内存区域 
│ …… │ 
├———————┤ 
│ var 1 │ 
├———————┤ 
│ var 2 │ 
├———————┤ 
│ var 3 │ 
├———————┤ 
│ RET │ 
├———————┤<—“__cdecl”函数返回后的栈顶（ESP） 
│ parameter 1 │ 
├———————┤ 
│ parameter 2 │ 
├———————┤ 
│ parameter 3 │ 
├———————┤<—“__stdcall”函数返回后的栈顶（ESP） 
│ …… │ 
├———————┤<—栈底（基地址 EBP）、高端内存区域

上图就是函数调用过程当中堆栈的样子了。首先，三个参数以从又到左的次序压入堆栈，先压“param3”，再压“param2”，最后压入 “param1”；而后压入函数的返回地址(RET)，接着跳转到函数地址接着执行（这里要补充一点，介绍UNIX下的缓冲溢出原理的文章中都提到在压入 RET后，继续压入当前EBP，而后用当前ESP代替EBP。然而，有一篇介绍windows下函数调用的文章中说，在windows下的函数调用也有这 一步骤，但根据个人实际调试，并未发现这一步，这还能够从param3和var1之间只有4字节的间隙这点看出来）；第三步，将栈顶(ESP)减去一个 数，为本地变量分配内存空间，上例中是减去12字节(ESP=ESP-3*4，每一个int变量占用4个字节)；接着就初始化本地变量的内存空间。因为 “__stdcall”调用由被调函数调整堆栈，因此在函数返回前要恢复堆栈，先回收本地变量占用的内存(ESP=ESP+3*4)，而后取出返回地址， 填入EIP寄存器，回收先前压入参数占用的内存(ESP=ESP+3*4)，继续执行调用者的代码。参见下列汇编代码：

;--------------func 函数的汇编代码-------------------

:00401000 83EC0C sub esp, 0000000C //建立本地变量的内存空间 
:00401003 8B442410 mov eax, dword ptr [esp+10] 
:00401007 8B4C2414 mov ecx, dword ptr [esp+14] 
:0040100B 8B542418 mov edx, dword ptr [esp+18] 
:0040100F 89442400 mov dword ptr [esp], eax 
:00401013 8D442410 lea eax, dword ptr [esp+10] 
:00401017 894C2404 mov dword ptr [esp+04], ecx

……………………（省略若干代码）

:00401075 83C43C add esp, 0000003C ;恢复堆栈，回收本地变量的内存空间 
:00401078 C3 ret 000C ;函数返回，恢复参数占用的内存空间 
;若是是“__cdecl”的话，这里是“ret”，堆栈将由调用者恢复

;-------------------函数结束-------------------------

;--------------主程序调用func函数的代码--------------

:00401080 6A03 push 00000003 //压入参数param3 
:00401082 6A02 push 00000002 //压入参数param2 
:00401084 6A01 push 00000001 //压入参数param1 
:00401086 E875FFFFFF call 00401000 //调用func函数 
;若是是“__cdecl”的话，将在这里恢复堆栈，“add esp, 0000000C”

聪明的读者看到这里，差很少就明白缓冲溢出的原理了。先来看下面的代码：

#include <stdio.h> 
#include <string.h>

void __stdcall func() 
{ 
char lpBuff[8]="\0"; 
strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA"); 
return; 
}

int main() 
{ 
func(); 
return 0; 
}

编译后执行一下回怎么样？哈，“"0x00414141"指令引用的"0x00000000"内存。该内存不能为"read"。”，“非法操做” 喽！"41"就是"A"的16进制的ASCII码了，那明显就是strcat这句出的问题了。"lpBuff"的大小只有8字节，算进结尾的\0，那 strcat最多只能写入7个"A"，但程序实际写入了11个"A"外加1个\0。再来看看上面那幅图，多出来的4个字节正好覆盖了RET的所在的内存空 间，致使函数返回到一个错误的内存地址，执行了错误的指令。若是能精心构造这个字符串，使它分红三部分，前一部份仅仅是填充的无心义数据以达到溢出的目 的，接着是一个覆盖RET的数据，紧接着是一段shellcode，那只要着个RET地址能指向这段shellcode的第一个指令，那函数返回时就能执 行shellcode了。可是软件的不一样版本和不一样的运行环境均可能影响这段shellcode在内存中的位置，那么要构造这个RET是十分困难的。通常 都在RET和shellcode之间填充大量的NOP指令，使得exploit有更强的通用性。

├———————┤<—低端内存区域 
│ …… │ 
├———————┤<—由exploit填入数据的开始 
│ │ 
│ buffer │<—填入无用的数据 
│ │ 
├———————┤ 
│ RET │<—指向shellcode，或NOP指令的范围 
├———————┤ 
│ NOP │ 
│ …… │<—填入的NOP指令，是RET可指向的范围 
│ NOP │ 
├———————┤ 
│ │ 
│ shellcode │ 
│ │ 
├———————┤<—由exploit填入数据的结束 
│ …… │ 
├———————┤<—高端内存区域

windows下的动态数据除了可存放在栈中，还能够存放在堆中。了解C++的朋友都知道，C++可使用new关键字来动态分配内存。来看下面的C++代码：

#include <stdio.h> 
#include <iostream.h> 
#include <windows.h>

void func() 
{ 
char *buffer=new char[128]; 
char bufflocal[128]; 
static char buffstatic[128]; 
printf("0x%08x\n",buffer); //打印堆中变量的内存地址 
printf("0x%08x\n",bufflocal); //打印本地变量的内存地址 
printf("0x%08x\n",buffstatic); //打印静态变量的内存地址 
}

void main() 
{ 
func(); 
return; 
}

程序执行结果为：

0x004107d0 
0x0012ff04 
0x004068c0

能够发现用new关键字分配的内存即不在栈中，也不在静态数据区。VC编译器是经过windows下的“堆(heap)”来实现new关键字的内存动态分配。在讲“堆”以前，先来了解一下和“堆”有关的几个API函数：

HeapAlloc 在堆中申请内存空间 
HeapCreate 建立一个新的堆对象 
HeapDestroy 销毁一个堆对象 
HeapFree 释放申请的内存 
HeapWalk 枚举堆对象的全部内存块 
GetProcessHeap 取得进程的默认堆对象 
GetProcessHeaps 取得进程全部的堆对象 
LocalAlloc 
GlobalAlloc

当进程初始化时，系统会自动为进程建立一个默认堆，这个堆默认所占内存的大小为1M。堆对象由系统进行管理，它在内存中以链式结构存在。经过下面的代码能够经过堆动态申请内存空间：

HANDLE hHeap=GetProcessHeap(); 
char *buff=HeapAlloc(hHeap,0,8);

其中hHeap是堆对象的句柄，buff是指向申请的内存空间的地址。那这个hHeap到底是什么呢？它的值有什么意义吗？看看下面这段代码吧：

#pragma comment(linker,"/entry:main") //定义程序的入口 
#include <windows.h>

_CRTIMP int (__cdecl *printf)(const char *, ...); //定义STL函数printf 
/*--------------------------------------------------------------------------- 
写到这里，咱们顺便来复习一下前面所讲的知识： 
(*注)printf函数是C语言的标准函数库中函数，VC的标准函数库由msvcrt.dll模块实现。 
由函数定义可见，printf的参数个数是可变的，函数内部没法预先知道调用者压入的参数个数，函数只能经过分析第一个参数字符串的格式来得到压入参数的 信息，因为这里参数的个数是动态的，因此必须由调用者来平衡堆栈，这里便使用了__cdecl调用规则。BTW，Windows系统的API函数基本上是 __stdcall调用形式，只有一个API例外，那就是wsprintf，它使用__cdecl调用规则，同printf函数同样，这是因为它的参数个 数是可变的缘故。 
---------------------------------------------------------------------------*/ 
void main() 
{ 
HANDLE hHeap=GetProcessHeap(); 
char *buff=HeapAlloc(hHeap,0,0x10); 
char *buff2=HeapAlloc(hHeap,0,0x10); 
HMODULE hMsvcrt=LoadLibrary("msvcrt.dll"); 
printf=(void *)GetProcAddress(hMsvcrt,"printf"); 
printf("0x%08x\n",hHeap); 
printf("0x%08x\n",buff); 
printf("0x%08x\n\n",buff2); 
}

执行结果为：

0x00130000 
0x00133100 
0x00133118

hHeap的值怎么和那个buff的值那么接近呢？其实hHeap这个句柄就是指向HEAP首部的地址。在进程的用户区存着一个叫PEB(进程环境 块)的结构，这个结构中存放着一些有关进程的重要信息，其中在PEB首地址偏移0x18处存放的ProcessHeap就是进程默认堆的地址，而偏移 0x90处存放了指向进程全部堆的地址列表的指针。windows有不少API都使用进程的默认堆来存放动态数据，如windows 2000下的全部ANSI版本的函数都是在默认堆中申请内存来转换ANSI字符串到Unicode字符串的。对一个堆的访问是顺序进行的，同一时刻只能有 一个线程访问堆中的数据，当多个线程同时有访问要求时，只能排队等待，这样便形成程序执行效率降低。

最后来讲说内存中的数据对齐。所位数据对齐，是指数据所在的内存地址必须是该数据长度的整数倍，DWORD数据的内存起始地址能被4除尽，WORD 数据的内存起始地址能被2除尽，x86 CPU能直接访问对齐的数据，当他试图访问一个未对齐的数据时，会在内部进行一系列的调整，这些调整对于程序来讲是透明的，可是会下降运行速度，因此编译 器在编译程序时会尽可能保证数据对齐。一样一段代码，咱们来看看用VC、Dev-C++和lcc三个不一样编译器编译出来的程序的执行结果：

#include <stdio.h>

int main() 
{ 
int a; 
char b; 
int c; 
printf("0x%08x\n",&a); 
printf("0x%08x\n",&b); 
printf("0x%08x\n",&c); 
return 0; 
}

这是用VC编译后的执行结果： 
0x0012ff7c 
0x0012ff7b 
0x0012ff80 
变量在内存中的顺序：b(1字节)-a(4字节)-c(4字节)。

这是用Dev-C++编译后的执行结果： 
0x0022ff7c 
0x0022ff7b 
0x0022ff74 
变量在内存中的顺序：c(4字节)-中间相隔3字节-b(占1字节)-a(4字节)。

这是用lcc编译后的执行结果： 
0x0012ff6c 
0x0012ff6b 
0x0012ff64 
变量在内存中的顺序：同上。

三个编译器都作到了数据对齐，可是后两个编译器显然没VC“聪明”，让一个char占了4字节，浪费内存哦。

基础知识： 
堆栈是一种简单的数据结构，是一种只容许在其一端进行插入或删除的线性表。容许插入或删除操做的一端称为栈顶，另外一端称为栈底，对堆栈的插入和删除操做被 称为入栈和出栈。有一组CPU指令能够实现对进程的内存实现堆栈访问。其中，POP指令实现出栈操做，PUSH指令实现入栈操做。CPU的ESP寄存器存 放当前线程的栈顶指针，EBP寄存器中保存当前线程的栈底指针。CPU的EIP寄存器存放下一个CPU指令存放的内存地址，当CPU执行完当前的指令后， 从EIP寄存器中读取下一条指令的内存地址，而后继续执行。 

 

摘要： 讨论常见的堆性能问题以及如何防范它们。（共 9 页）

前言
您是不是动态分配的 C/C++ 对象忠实且幸运的用户？您是否在模块间的往返通讯中频繁地使用了“自动化”？您的程序是否因堆分配而运行起来很慢？不只仅您遇到这样的问题。几乎全部项目 早晚都会遇到堆问题。你们都想说，“个人代码真正好，只是堆太慢”。那只是部分正确。更深刻理解堆及其用法、以及会发生什么问题，是颇有用的。

什么是堆？
（若是您已经知道什么是堆，能够跳到“什么是常见的堆性能问题？”部分）

在程序中，使用堆来动态分配和释放对象。在下列状况下，调用堆操做：

事先不知道程序所需对象的数量和大小。

对象太大而不适合堆栈分配程序。
堆使用了在运行时分配给代码和堆栈的内存以外的部份内存。下图给出了堆分配程序的不一样层。

GlobalAlloc/GlobalFree：Microsoft Win32 堆调用，这些调用直接与每一个进程的默认堆进行对话。

LocalAlloc/LocalFree：Win32 堆调用（为了与 Microsoft Windows NT 兼容），这些调用直接与每一个进程的默认堆进行对话。

COM 的 IMalloc 分配程序（或 CoTaskMemAlloc / CoTaskMemFree）：函数使用每一个进程的默认堆。自动化程序使用“组件对象模型 (COM)”的分配程序，而申请的程序使用每一个进程堆。

C/C++ 运行时 (CRT) 分配程序：提供了 malloc() 和 free() 以及 new 和 delete 操做符。如 Microsoft Visual Basic 和 Java 等语言也提供了新的操做符并使用垃圾收集来代替堆。CRT 建立本身的私有堆，驻留在 Win32 堆的顶部。

Windows NT 中，Win32 堆是 Windows NT 运行时分配程序周围的薄层。全部 API 转发它们的请求给 NTDLL。

Windows NT 运行时分配程序提供 Windows NT 内的核心堆分配程序。它由具备 128 个大小从 8 到 1,024 字节的空闲列表的前端分配程序组成。后端分配程序使用虚拟内存来保留和提交页。

在图表的底部是“虚拟内存分配程序”，操做系统使用它来保留和提交页。全部分配程序使用虚拟内存进行数据的存取。

分配和释放块不就那么简单吗？为什么花费这么长时间？

堆实现的注意事项
传统上，操做系统和运行时库是与堆的实现共存的。在一个进程的开始，操做系统建立一个默认堆，叫作“进程堆”。若是没有其余堆可以使用，则块的分配使用“进 程堆”。语言运行时也能在进程内建立单独的堆。（例如，C 运行时建立它本身的堆。）除这些专用的堆外，应用程序或许多已载入的动态连接库 (DLL) 之一能够建立和使用单独的堆。Win32 提供一整套 API 来建立和使用私有堆。有关堆函数（英文）的详尽指导，请参见 MSDN。

当应用程序或 DLL 建立私有堆时，这些堆存在于进程空间，而且在进程内是可访问的。从给定堆分配的数据将在同一个堆上释放。（不能从一个堆分配而在另外一个堆释放。）

在全部虚拟内存系统中，堆驻留在操做系统的“虚拟内存管理器”的顶部。语言运行时堆也驻留在虚拟内存顶部。某些状况下，这些堆是操做系统堆中的层，而语言运行时堆则经过大块的分配来执行本身的内存管理。不使用操做系统堆，而使用虚拟内存函数更利于堆的分配和块的使用。

典型的堆实现由前、后端分配程序组成。前端分配程序维持固定大小块的空闲列表。对于一次分配调用，堆尝试从前端列表找到一个自由块。若是失败，堆被 迫从后端（保留和提交虚拟内存）分配一个大块来知足请求。通用的实现有每块分配的开销，这将耗费执行周期，也减小了可以使用的存储空间。

 

Windows NT 的实现（Windows NT 版本 4.0 和更新版本） 使用了 127 个大小从 8 到 1,024 字节的 8 字节对齐块空闲列表和一个“大块”列表。“大块”列表（空闲列表[0]） 保存大于 1,024 字节的块。空闲列表容纳了用双向链表连接在一块儿的对象。默认状况下，“进程堆”执行收集操做。（收集是将相邻空闲块合并成一个大块的操做。）收集耗费了额 外的周期，但减小了堆块的内部碎片。

什么是常见的堆性能问题？
如下是您使用堆时会遇到的最多见问题：

分配操做形成的速度减慢。光分配就耗费很长时间。最可能致使运行速度减慢缘由是空闲列表没有块，因此运行时分配程序代码会耗费周期寻找较大的空闲块，或从后端分配程序分配新块。

释放操做形成的速度减慢。释放操做耗费较多周期，主要是启用了收集操做。收集期间，每一个释放操做“查找”它的相邻块，取出它们并构形成较大块，而后再把此较大块插入空闲列表。在查找期间，内存可能会随机碰到，从而致使高速缓存不能命中，性能下降。

堆竞争形成的速度减慢。当两个或多个线程同时访问数据，并且一个线程继续进行以前必须等待另外一个线程完成时就发生竞争。竞争老是致使麻烦；这也是目前多处 理器系统遇到的最大问题。当大量使用内存块的应用程序或 DLL 以多线程方式运行（或运行于多处理器系统上）时将致使速度减慢。单一锁定的使用—经常使用的解决方案—意味着使用堆的全部操做是序列化的。当等待锁定时序列化 会引发线程切换上下文。能够想象交叉路口闪烁的红灯处走走停停致使的速度减慢。 
竞争一般会致使线程和进程的上下文切换。上下文切换的开销是很大的，但开销更大的是数据从处理器高速缓存中丢失，以及后来线程复活时的数据重建。

堆破坏形成的速度减慢。形成堆破坏的缘由是应用程序对堆块的不正确使用。一般情形包括释放已释放的堆块或使用已释放的堆块，以及块的越界重写等明显 问题。（破坏不在本文讨论范围以内。有关内存重写和泄漏等其余细节，请参见 Microsoft Visual C++(R) 调试文档 。）

频繁的分配和重分配形成的速度减慢。这是使用脚本语言时很是广泛的现象。如字符串被反复分配，随重分配增加和释放。不要这样作，若是可能，尽可能分配大字符串和使用缓冲区。另外一种方法就是尽可能少用链接操做。
竞争是在分配和释放操做中致使速度减慢的问题。理想状况下，但愿使用没有竞争和快速分配/释放的堆。惋惜，如今尚未这样的通用堆，也许未来会有。

在全部的服务器系统中（如 IIS、MSProxy、DatabaseStacks、网络服务器、 Exchange 和其余）, 堆锁定实在是个大瓶颈。处理器数越多，竞争就越会恶化。

尽可能减小堆的使用
如今您明白使用堆时存在的问题了，难道您不想拥有能解决这些问题的超级魔棒吗？我可但愿有。但没有魔法能使堆运行加快—所以不要指望在产品出货以前的最后一星期可以大为改观。若是提早规划堆策略，状况将会大大好转。调整使用堆的方法，减小对堆的操做是提升性能的良方。

如何减小使用堆操做？经过利用数据结构内的位置可减小堆操做的次数。请考虑下列实例：

struct ObjectA {
    // objectA 的数据 
}

struct ObjectB {
    // objectB 的数据 
}

// 同时使用 objectA 和 objectB

//
// 使用指针 
//
struct ObjectB {
    struct ObjectA * pObjA;
    // objectB 的数据 
}

//
// 使用嵌入
//
struct ObjectB {
    struct ObjectA pObjA;
    // objectB 的数据 
}

//
// 集合 – 在另外一对象内使用 objectA 和 objectB
//

struct ObjectX {
    struct ObjectA   objA;
    struct ObjectB   objB;
}

避免使用指针关联两个数据结构。若是使用指针关联两个数据结构，前面实例中的对象 A 和 B 将被分别分配和释放。这会增长额外开销—咱们要避免这种作法。

把带指针的子对象嵌入父对象。当对象中有指针时，则意味着对象中有动态元素（百分之八十）和没有引用的新位置。嵌入增长了位置从而减小了进一步分配/释放的需求。这将提升应用程序的性能。

合并小对象造成大对象（聚合）。聚合减小分配和释放的块的数量。若是有几个开发者，各自开发设计的不一样部分，则最终会有许多小对象须要合并。集成的挑战就是要找到正确的聚合边界。

内联缓冲区可以知足百分之八十的须要（aka 80-20 规则）。个别状况下，须要内存缓冲区来保存字符串/二进制数据，但事先不知道总字节数。估计并内联一个大小能知足百分之八十须要的缓冲区。对剩余的百分之 二十，能够分配一个新的缓冲区和指向这个缓冲区的指针。这样，就减小分配和释放调用并增长数据的位置空间，从根本上提升代码的性能。

在块中分配对象（块化）。块化是以组的方式一次分配多个对象的方法。若是对列表的项连续跟踪，例如对一个 {名称，值} 对的列表，有两种选择：选择一是为每个“名称-值”对分配一个节点；选择二是分配一个能容纳（如五个）“名称-值”对的结构。例如，通常状况下，若是存 储四对，就可减小节点的数量，若是须要额外的空间数量，则使用附加的链表指针。 
块化是友好的处理器高速缓存，特别是对于 L1-高速缓存，由于它提供了增长的位置 —不用说对于块分配，不少数据块会在同一个虚拟页中。

正确使用 _amblksiz。C 运行时 (CRT) 有它的自定义前端分配程序，该分配程序从后端（Win32 堆）分配大小为 _amblksiz 的块。将 _amblksiz 设置为较高的值能潜在地减小对后端的调用次数。这只对普遍使用 CRT 的程序适用。
使用上述技术将得到的好处会因对象类型、大小及工做量而有所不一样。但总能在性能和可升缩性方面有所收获。另外一方面，代码会有点特殊，但若是通过深思熟虑，代码仍是很容易管理的。

其余提升性能的技术
下面是一些提升速度的技术：

使用 Windows NT5 堆 
因为几个同事的努力和辛勤工做，1998 年初 Microsoft Windows(R) 2000 中有了几个重大改进：

改进了堆代码内的锁定。堆代码对每堆一个锁。全局锁保护堆数据结构，防止多线程式的使用。但不幸的是，在高通讯量的状况下，堆仍受困于全局锁，致使高竞争和低性能。Windows 2000 中，锁内代码的临界区将竞争的可能性减到最小,从而提升了可伸缩性。

使用 “Lookaside”列表。堆数据结构对块的全部空闲项使用了大小在 8 到 1,024 字节（以 8-字节递增）的快速高速缓存。快速高速缓存最初保护在全局锁内。如今，使用 lookaside 列表来访问这些快速高速缓存空闲列表。这些列表不要求锁定，而是使用 64 位的互锁操做，所以提升了性能。

内部数据结构算法也获得改进。
这些改进避免了对分配高速缓存的需求，但不排除其余的优化。使用 Windows NT5 堆评估您的代码；它对小于 1,024 字节 (1 KB) 的块（来自前端分配程序的块）是最佳的。GlobalAlloc() 和 LocalAlloc() 创建在同一堆上，是存取每一个进程堆的通用机制。若是但愿得到高的局部性能，则使用 Heap(R) API 来存取每一个进程堆，或为分配操做建立本身的堆。若是须要对大块操做，也能够直接使用 VirtualAlloc() / VirtualFree() 操做。

上述改进已在 Windows 2000 beta 2 和 Windows NT 4.0 SP4 中使用。改进后，堆锁的竞争率显著下降。这使全部 Win32 堆的直接用户受益。CRT 堆创建于 Win32 堆的顶部，但它使用本身的小块堆，于是不能从 Windows NT 改进中受益。（Visual C++ 版本 6.0 也有改进的堆分配程序。）

使用分配高速缓存 
分配高速缓存容许高速缓存分配的块，以便未来重用。这可以减小对进程堆（或全局堆）的分配/释放调用的次数，也容许最大限度的重用曾经分配的块。另外，分配高速缓存容许收集统计信息,以便较好地理解对象在较高层次上的使用。

典型地，自定义堆分配程序在进程堆的顶部实现。自定义堆分配程序与系统堆的行为很类似。主要的差异是它在进程堆的顶部为分配的对象提供高速缓存。高 速缓存设计成一套固定大小（如 32 字节、64 字节、128 字节等）。这一个很好的策略，但这种自定义堆分配程序丢失与分配和释放的对象相关的“语义信息”。

与自定义堆分配程序相反，“分配高速缓存”做为每类分配高速缓存来实现。除可以提供自定义堆分配程序的全部好处以外，它们还可以保留大量语义信息。 每一个分配高速缓存处理程序与一个目标二进制对象关联。它可以使用一套参数进行初始化，这些参数表示并发级别、对象大小和保持在空闲列表中的元素的数量等。 分配高速缓存处理程序对象维持本身的私有空闲实体池（不超过指定的阀值）并使用私有保护锁。合在一块儿，分配高速缓存和私有锁减小了与主系统堆的通讯量，因 而提供了增长的并发、最大限度的重用和较高的可伸缩性。

须要使用清理程序来按期检查全部分配高速缓存处理程序的活动状况并回收未用的资源。若是发现没有活动，将释放分配对象的池，从而提升性能。

能够审核每一个分配/释放活动。第一级信息包括对象、分配和释放调用的总数。经过查看它们的统计信息能够得出各个对象之间的语义关系。利用以上介绍的许多技术之一，这种关系能够用来减小内存分配。

分配高速缓存也起到了调试助手的做用，帮助您跟踪没有彻底清除的对象数量。经过查看动态堆栈返回踪影和除没有清除的对象以外的签名，甚至可以找到确切的失败的调用者。

MP 堆 
MP 堆是对多处理器友好的分布式分配的程序包，在 Win32 SDK（Windows NT 4.0 和更新版本）中能够获得。最初由 JVert 实现，此处堆抽象创建在 Win32 堆程序包的顶部。MP 堆建立多个 Win32 堆，并试图将分配调用分布到不一样堆，以减小在全部单一锁上的竞争。

本程序包是好的步骤 —一种改进的 MP-友好的自定义堆分配程序。可是，它不提供语义信息和缺少统计功能。一般将 MP 堆做为 SDK 库来使用。若是使用这个 SDK 建立可重用组件，您将大大受益。可是，若是在每一个 DLL 中创建这个 SDK 库，将增长工做设置。