¿Qué y dónde están la stack y el montón?

Los libros de progtwigción de idiomas explican que los tipos de valores se crean en la stack , y los tipos de referencia se crean en el montón , sin explicar cuáles son estas dos cosas. No he leído una explicación clara de esto. Entiendo lo que es una stack . Pero,

  • dónde y qué son (físicamente en la memoria de una computadora real)?
  • ¿En qué medida están controlados por el sistema operativo o el tiempo de ejecución del idioma?
  • ¿Cuál es su scope?
  • ¿Qué determina el tamaño de cada uno de ellos?
  • ¿Qué lo hace a uno más rápido?

La stack es la memoria reservada como espacio cero para un hilo de ejecución. Cuando se llama a una función, se reserva un bloque en la parte superior de la stack para las variables locales y algunos datos de contabilidad. Cuando esa función retorna, el bloque no se usa y puede usarse la próxima vez que se llame a una función. La stack siempre se reserva en un orden LIFO (último en entrar, primero en salir); el bloque reservado más reciente es siempre el siguiente bloque que se liberará. Esto hace que sea realmente simple hacer un seguimiento de la stack; liberar un bloque de la stack no es más que ajustar un puntero.

El montón es memoria reservada para la asignación dinámica. A diferencia de la stack, no hay un patrón forzado para la asignación y desasignación de bloques del montón; puede asignar un bloque en cualquier momento y liberarlo en cualquier momento. Esto hace que sea mucho más complejo hacer un seguimiento de qué partes del montón están asignadas o libres en un momento dado; hay muchos asignadores de montón personalizados disponibles para ajustar el rendimiento del montón para diferentes patrones de uso.

Cada hilo obtiene una stack, mientras que normalmente solo hay un montón para la aplicación (aunque no es raro tener múltiples montones para diferentes tipos de asignación).

Para responder a sus preguntas directamente:

¿En qué medida están controlados por el sistema operativo o el tiempo de ejecución del idioma?

El sistema operativo asigna la stack para cada subproceso de nivel de sistema cuando se crea el subproceso. Normalmente, el lenguaje de ejecución llama al sistema operativo para asignar el montón para la aplicación.

¿Cuál es su scope?

La stack está unida a un hilo, por lo que cuando el hilo sale se recupera la stack. El montón se suele asignar al inicio de la aplicación por el tiempo de ejecución y se recupera cuando finaliza la aplicación (proceso técnico).

¿Qué determina el tamaño de cada uno de ellos?

El tamaño de la stack se establece cuando se crea un hilo. El tamaño del almacenamiento dynamic se establece al inicio de la aplicación, pero puede crecer a medida que se necesita espacio (el asignador solicita más memoria del sistema operativo).

¿Qué lo hace a uno más rápido?

La stack es más rápida porque el patrón de acceso hace que sea trivial asignar y desasignar memoria desde allí (un puntero / entero simplemente se incrementa o disminuye), mientras que el montón tiene una contabilidad mucho más compleja involucrada en una asignación o desasignación. Además, cada byte en la stack tiende a reutilizarse con mucha frecuencia, lo que significa que tiende a asignarse al caché del procesador, lo que lo hace muy rápido. Otro golpe de rendimiento para el montón es que el montón, que es principalmente un recurso global, normalmente tiene que ser seguro para varios subprocesos, es decir, cada asignación y desasignación debe estar, por lo general, sincronizada con “todos” otros accesos de montón en el progtwig.

Una clara demostración:
Fuente de la imagen: vikashazrati.wordpress.com

Astackr:

  • Almacenado en la memoria RAM de la computadora al igual que el montón.
  • Las variables creadas en la stack saldrán del scope y se desasignarán automáticamente.
  • Mucho más rápido de asignar en comparación con las variables en el montón.
  • Implementado con una estructura de datos de stack real.
  • Almacena datos locales, direcciones de retorno, usadas para el paso de parámetros.
  • Puede tener un desbordamiento de stack cuando se utiliza una gran parte de la stack (principalmente de recursividad infinita o demasiado profunda, asignaciones muy grandes).
  • Los datos creados en la stack se pueden usar sin punteros.
  • Utilizaría la stack si sabe exactamente la cantidad de datos que necesita asignar antes del tiempo de comstackción y no es demasiado grande.
  • Usualmente tiene un tamaño máximo ya determinado cuando se inicia su progtwig.

Montón:

  • Almacenado en la memoria RAM de la computadora al igual que la stack.
  • En C ++, las variables en el montón deben destruirse manualmente y nunca quedar fuera del scope. Los datos se liberan con delete , delete[] o free .
  • Más lento para asignar en comparación con las variables en la stack.
  • Usado a pedido para asignar un bloque de datos para uso del progtwig.
  • Puede tener fragmentación cuando hay muchas asignaciones y desasignaciones.
  • En C ++ o C, los datos creados en el montón se señalarán mediante punteros y se asignarán con new o malloc respectivamente.
  • Puede tener fallas de asignación si se solicita que se asigne un búfer demasiado grande.
  • Utilizaría el montón si no sabe exactamente cuántos datos necesitará en tiempo de ejecución o si necesita asignar una gran cantidad de datos.
  • Responsable de memory leaks.

Ejemplo:

 int foo() { char *pBuffer; //< --nothing allocated yet (excluding the pointer itself, which is allocated here on the stack). bool b = true; // Allocated on the stack. if(b) { //Create 500 bytes on the stack char buffer[500]; //Create 500 bytes on the heap pBuffer = new char[500]; }//<-- buffer is deallocated here, pBuffer is not }//<--- oops there's a memory leak, I should have called delete[] pBuffer; 

El punto más importante es que el montón y la stack son términos generics de las formas en que se puede asignar la memoria. Se pueden implementar de muchas maneras diferentes, y los términos se aplican a los conceptos básicos.

  • En una stack de elementos, los elementos se colocan uno encima del otro en el orden en que se colocaron allí, y solo se puede quitar el superior (sin volcar todo el asunto).

    Apila como una pila de papeles

    La simplicidad de una stack es que no necesita mantener una tabla que contenga un registro de cada sección de memoria asignada; la única información de estado que necesita es un solo puntero al final de la stack. Para asignar y desasignar, simplemente incrementa y disminuye ese único puntero. Nota: a veces se puede implementar una stack para comenzar en la parte superior de una sección de la memoria y extenderla hacia abajo en lugar de crecer hacia arriba.

  • En un montón, no hay un orden particular en la forma en que se colocan los artículos. Puede acceder y eliminar elementos en cualquier orden porque no hay un elemento claro “superior”.

    Montón como un montón de regaliz allsorts

    La asignación de montón requiere mantener un registro completo de qué memoria se asigna y qué no, así como también un mantenimiento general para reducir la fragmentación, encontrar segmentos de memoria contiguos lo suficientemente grandes para ajustarse al tamaño solicitado, y así sucesivamente. La memoria puede ser desasignada en cualquier momento dejando espacio libre. Algunas veces, un asignador de memoria realizará tareas de mantenimiento, como desfragmentar la memoria moviendo la memoria asignada, o recolectando basura, identificando en tiempo de ejecución cuando la memoria ya no está en el scope y deslocalándola.

Estas imágenes deberían describir bastante bien las dos formas de asignar y liberar memoria en una stack y un montón. ¡Yum!

  • ¿En qué medida están controlados por el sistema operativo o el tiempo de ejecución del idioma?

    Como se mencionó, el montón y la stack son términos generales, y se pueden implementar de muchas maneras. Los progtwigs de computadora generalmente tienen una stack llamada stack de llamadas que almacena información relevante para la función actual, como un puntero a cualquier función desde la que se llamó y cualquier variable local. Como las funciones llaman a otras funciones y luego regresan, la stack crece y se contrae para contener información de las funciones que se encuentran más abajo en la stack de llamadas. Un progtwig realmente no tiene control de tiempo de ejecución sobre él; está determinado por el lenguaje de progtwigción, el sistema operativo e incluso la architecture del sistema.

    Un montón es un término general utilizado para cualquier memoria que se asigna de forma dinámica y aleatoria; es decir, fuera de servicio. El sistema operativo suele asignar la memoria, y la aplicación llama a las funciones API para realizar esta asignación. Se requiere un poco de sobrecarga en la administración de la memoria asignada dinámicamente, que generalmente es manejada por el sistema operativo.

  • ¿Cuál es su scope?

    La stack de llamadas es un concepto de bajo nivel que no se relaciona con el ‘scope’ en el sentido de progtwigción. Si desensambla algún código, verá referencias de estilo de puntero relativo a porciones de la stack, pero en lo que se refiere a un lenguaje de nivel superior, el lenguaje impone sus propias reglas de scope. Un aspecto importante de una stack, sin embargo, es que una vez que una función retorna, cualquier elemento local de esa función se libera inmediatamente de la stack. Eso funciona de la manera en que esperaría que funcione dado el funcionamiento de sus lenguajes de progtwigción. En un montón, también es difícil de definir. El scope es lo que expone el sistema operativo, pero su lenguaje de progtwigción probablemente agrega sus reglas sobre qué es un “scope” en su aplicación. La architecture del procesador y el SO utilizan el direccionamiento virtual, que el procesador traduce a direcciones físicas y hay fallas de página, etc. Se mantienen al tanto de qué páginas pertenecen a qué aplicaciones. Sin embargo, nunca tendrá que preocuparse por esto, simplemente use el método que use su lenguaje de progtwigción para asignar y liberar memoria y verifique si hay errores (si la asignación / liberación falla por algún motivo).

  • ¿Qué determina el tamaño de cada uno de ellos?

    Nuevamente, depende del idioma, comstackdor, sistema operativo y architecture. Una stack generalmente se asigna previamente, porque por definición debe ser memoria contigua (más sobre esto en el último párrafo). El comstackdor de lenguaje o el sistema operativo determinan su tamaño. No almacena grandes cantidades de datos en la stack, por lo que será lo suficientemente grande como para que nunca se utilice por completo, excepto en casos de recursión interminable no deseada (por lo tanto, “desbordamiento de la stack”) u otras decisiones inusuales de progtwigción.

    Un montón es un término general para todo lo que se puede asignar dinámicamente. Según la forma en que lo mires, cambia constantemente de tamaño. En los procesadores modernos y sistemas operativos, la forma exacta en que funciona está muy abstraída de todos modos, por lo que normalmente no tendrá que preocuparse mucho sobre cómo funciona en el fondo, excepto que (en los idiomas donde lo permita) no debe usar memoria que usted no ha asignado todavía o la memoria que ha liberado.

  • ¿Qué lo hace a uno más rápido?

    La stack es más rápida porque toda la memoria libre siempre es contigua. No es necesario mantener una lista de todos los segmentos de memoria libre, solo un puntero a la parte superior actual de la stack. Los comstackdores generalmente almacenan este puntero en un registro especial y rápido para este propósito. Además, las operaciones posteriores en una stack normalmente se concentran en áreas de memoria muy cercanas, lo que a un nivel muy bajo es bueno para la optimización de los cachés en memoria del procesador.

(He movido esta respuesta de otra pregunta que fue más o menos una trampa de esta).

La respuesta a su pregunta es específica de la implementación y puede variar entre comstackdores y architectures de procesador. Sin embargo, aquí hay una explicación simplificada.

  • Tanto la stack como el montón son áreas de memoria asignadas desde el sistema operativo subyacente (a menudo la memoria virtual asignada a la memoria física a pedido).
  • En un entorno de subprocesos múltiples, cada subproceso tendrá su propia stack completamente independiente, pero compartirán el montón. El acceso concurrente debe controlarse en el montón y no es posible en la stack.

El montón

  • El montón contiene una lista vinculada de bloques usados ​​y libres. Las nuevas asignaciones en el montón (por new o malloc ) se satisfacen creando un bloque adecuado a partir de uno de los bloques libres. Esto requiere actualizar la lista de bloques en el montón. Esta metainformación sobre los bloques en el montón también se almacena en el montón a menudo en un área pequeña justo en frente de cada bloque.
  • A medida que crece el montón, los bloques nuevos a menudo se asignan desde direcciones inferiores hacia direcciones superiores. Por lo tanto, puede pensar en el montón como un montón de bloques de memoria que crece en tamaño a medida que se asigna la memoria. Si el montón es demasiado pequeño para una asignación, el tamaño a menudo se puede boost al adquirir más memoria del sistema operativo subyacente.
  • Asignar y desasignar muchos bloques pequeños puede dejar el montón en un estado en el que hay muchos pequeños bloques libres intercalados entre los bloques usados. Una solicitud para asignar un bloque grande puede fallar porque ninguno de los bloques libres es lo suficientemente grande como para satisfacer la solicitud de asignación, aunque el tamaño combinado de los bloques libres puede ser lo suficientemente grande. Esto se llama fragmentación de montón .
  • Cuando un bloque usado que está adyacente a un bloque libre es desasignado, el nuevo bloque libre puede fusionarse con el bloque libre adyacente para crear un bloque libre más grande que reduce efectivamente la fragmentación del montón.

El montón

La stack

  • La stack a menudo funciona en tándem con un registro especial en la CPU llamado puntero de la stack . Inicialmente, el puntero de stack apunta a la parte superior de la stack (la dirección más alta en la stack).
  • La CPU tiene instrucciones especiales para empujar los valores a la stack y sacarlos de la stack. Cada inserción almacena el valor en la ubicación actual del puntero de stack y disminuye el puntero de stack. Un pop recupera el valor apuntado por el puntero de la stack y luego aumenta el puntero de la stack (no se confunda por el hecho de que al agregar un valor a la stack disminuye el puntero de la stack y la eliminación de un valor aumenta . Recuerde que la stack crece El fondo). Los valores almacenados y recuperados son los valores de los registros de la CPU.
  • Cuando se llama a una función, la CPU usa instrucciones especiales que presionan el puntero de instrucción actual, es decir, la dirección del código que se ejecuta en la stack. Luego, la CPU salta a la función configurando el puntero de instrucción en la dirección de la función llamada. Más tarde, cuando la función retorna, el puntero de instrucción anterior se saca de la stack y la ejecución se reanuda en el código justo después de la llamada a la función.
  • Cuando se ingresa una función, el puntero de la stack se reduce para asignar más espacio en la stack para las variables locales (automáticas). Si la función tiene una variable local de 32 bits, se reservan cuatro bytes en la stack. Cuando la función retorna, el puntero de la stack se mueve hacia atrás para liberar el área asignada.
  • Si una función tiene parámetros, estos se envían a la stack antes de la llamada a la función. El código en la función es capaz de navegar por la stack desde el puntero de la stack actual para localizar estos valores.
  • Las llamadas a función de anidación funcionan como un amuleto. Cada nueva llamada asignará los parámetros de la función, la dirección de retorno y el espacio para las variables locales y estos registros de activación se pueden astackr para las llamadas anidadas y se desenrollarán de la manera correcta cuando vuelvan las funciones.
  • Como la stack es un bloque limitado de memoria, puede causar un desbordamiento de la stack llamando a demasiadas funciones anidadas y / o asignando demasiado espacio para las variables locales. A menudo, el área de memoria utilizada para la stack se configura de tal manera que escribir debajo de la parte inferior (la dirección más baja) de la stack activará una trampa o excepción en la CPU. Esta condición excepcional puede ser capturada por el tiempo de ejecución y convertida en algún tipo de excepción de desbordamiento de stack.

La pila

¿Se puede asignar una función en el montón en lugar de una stack?

No, los registros de activación para funciones (es decir, variables locales o automáticas) se asignan en la stack que se utiliza no solo para almacenar estas variables, sino también para realizar un seguimiento de las llamadas a funciones anidadas.

Cómo se gestiona el montón depende realmente del entorno de tiempo de ejecución. C usa malloc y C ++ usa new , pero muchos otros idiomas tienen recolección de basura.

Sin embargo, la stack es una característica más de bajo nivel estrechamente vinculada a la architecture del procesador. Hacer crecer el montón cuando no hay suficiente espacio no es demasiado difícil ya que se puede implementar en la llamada a la biblioteca que maneja el montón. Sin embargo, crecer la stack es a menudo imposible ya que el desbordamiento de la stack solo se descubre cuando ya es demasiado tarde; y cerrar el hilo de la ejecución es la única opción viable.

En el siguiente código C #

 public void Method1() { int i = 4; int y = 2; class1 cls1 = new class1(); } 

Así es como se maneja la memoria

Imagen de variables en la pila

Local Variables que solo necesitan durar tanto como la invocación de función entre en la stack. El montón se usa para variables cuya duración no conocemos por adelantado, pero esperamos que duren un tiempo. En la mayoría de los lenguajes es crítico que sepamos en tiempo de comstackción qué tan grande es una variable si queremos almacenarla en la stack.

Los objetos (que varían en tamaño a medida que los actualizamos) van en el montón porque no sabemos en el momento de la creación cuánto durarán. En muchos idiomas, el montón es basura recolectada para encontrar objetos (como el objeto cls1) que ya no tienen ninguna referencia.

En Java, la mayoría de los objetos van directamente al montón. En idiomas como C / C ++, las estructuras y las clases a menudo pueden permanecer en la stack cuando no se trata de punteros.

Más información se puede encontrar aquí:

La diferencia entre la asignación de stack y memoria de memoria «timmurphy.org

y aquí:

Creando objetos en la stack y el montón

Este artículo es la fuente de la imagen anterior: Seis conceptos .NET importantes: stack, montón, tipos de valores, tipos de referencia, boxeo y desempaquetado – CodeProject

pero ten en cuenta que puede contener algunas inexactitudes.

La stack Cuando llamas a una función, los argumentos a esa función más algunos otros gastos generales se ponen en la stack. También se almacena cierta información (por ejemplo, dónde ir para regresar). Cuando declaras una variable dentro de tu función, esa variable también se asigna en la stack.

La desasignación de la stack es bastante simple porque siempre se desasigna en el orden inverso al que se asigna. Las cosas astackdas se agregan a medida que ingresas funciones, los datos correspondientes se eliminan al salir de ellos. Esto significa que tiende a permanecer dentro de una pequeña región de la stack a menos que llame a muchas funciones que invocan muchas otras funciones (o crea una solución recursiva).

El montón El montón es un nombre genérico para el lugar donde colocas los datos que creas sobre la marcha. Si no sabe cuántas naves espaciales creará su progtwig, es probable que utilice el nuevo operador (o malloc o equivalente) para crear cada nave espacial. Esta asignación se mantendrá durante un tiempo, por lo que es probable que liberemos las cosas en un orden diferente al que las creamos.

Por lo tanto, el montón es mucho más complejo, porque terminan siendo regiones de memoria que no se utilizan intercaladas con fragmentos que son: la memoria se fragmenta. Encontrar memoria libre del tamaño que necesita es un problema difícil. Esta es la razón por la que se debe evitar el montón (aunque todavía se usa con frecuencia).

Implementación La implementación tanto de la stack como del montón suele ser hasta el tiempo de ejecución / sistema operativo. A menudo los juegos y otras aplicaciones que son críticas para el rendimiento crean sus propias soluciones de memoria que toman una gran cantidad de memoria del montón y luego la distribuyen internamente para evitar depender del sistema operativo para la memoria.

Esto solo es práctico si el uso de la memoria es bastante diferente de la norma, es decir, para juegos donde se carga un nivel en una operación enorme y se puede tirar todo el lote en otra operación enorme.

Ubicación física en la memoria Esto es menos relevante de lo que piensas debido a una tecnología llamada Memoria Virtual que hace que tu progtwig piense que tienes acceso a cierta dirección donde los datos físicos están en otro lugar (¡incluso en el disco duro!). Las direcciones que obtienes para la stack están en orden creciente a medida que tu árbol de llamadas se hace más profundo. Las direcciones para el montón son impredecibles (es decir, implícitas específicas) y francamente no son importantes.

Para aclarar, esta respuesta tiene información incorrecta ( thomas arregló su respuesta después de los comentarios, genial :)). Otras respuestas simplemente evitan explicar qué significa la asignación estática. Entonces explicaré las tres formas principales de asignación y cómo se relacionan generalmente con el montón, la stack y el segmento de datos a continuación. También mostraré algunos ejemplos tanto en C / C ++ como en Python para ayudar a las personas a entender.

Las variables “estáticas” (AKA estáticamente asignadas) no están asignadas en la stack. No asum eso, muchas personas lo hacen solo porque “estático” suena muy parecido a “stack”. En realidad no existen ni en la stack ni en el montón. Son parte de lo que se llama el segmento de datos .

Sin embargo, generalmente es mejor considerar ” scope ” y ” vida ” en lugar de “astackr” y “acumular”.

El scope se refiere a qué partes del código pueden acceder a una variable. En general, pensamos en el scope local (solo se puede acceder mediante la función actual) frente al scope global (se puede acceder a él desde cualquier lugar) aunque el scope puede ser mucho más complejo.

Lifetime se refiere a cuando una variable es asignada y desasignada durante la ejecución del progtwig. Por lo general, pensamos en la asignación estática (la variable persistirá durante toda la duración del progtwig, por lo que es útil para almacenar la misma información en varias llamadas a funciones) frente a la asignación automática (la variable solo persiste durante una llamada a una función, lo cual es útil para almacenar información que solo se usa durante su función y puede descartarse una vez que haya terminado) versus la asignación dinámica (variables cuya duración se define en tiempo de ejecución, en lugar de tiempo de comstackción como estático o automático).

Aunque la mayoría de los comstackdores e intérpretes implementan este comportamiento de manera similar en términos de usar stacks, montones, etc., un comstackdor a veces puede romper estas convenciones si lo desea siempre que el comportamiento sea correcto. Por ejemplo, debido a la optimización, una variable local solo puede existir en un registro o eliminarse por completo, aunque la mayoría de las variables locales existan en la stack. As has been pointed out in a few comments, you are free to implement a compiler that doesn’t even use a stack or a heap, but instead some other storage mechanisms (rarely done, since stacks and heaps are great for this).

I will provide some simple annotated C code to illustrate all of this. The best way to learn is to run a program under a debugger and watch the behavior. If you prefer to read python, skip to the end of the answer 🙂

 // Statically allocated in the data segment when the program/DLL is first loaded // Deallocated when the program/DLL exits // scope - can be accessed from anywhere in the code int someGlobalVariable; // Statically allocated in the data segment when the program is first loaded // Deallocated when the program/DLL exits // scope - can be accessed from anywhere in this particular code file static int someStaticVariable; // "someArgument" is allocated on the stack each time MyFunction is called // "someArgument" is deallocated when MyFunction returns // scope - can be accessed only within MyFunction() void MyFunction(int someArgument) { // Statically allocated in the data segment when the program is first loaded // Deallocated when the program/DLL exits // scope - can be accessed only within MyFunction() static int someLocalStaticVariable; // Allocated on the stack each time MyFunction is called // Deallocated when MyFunction returns // scope - can be accessed only within MyFunction() int someLocalVariable; // A *pointer* is allocated on the stack each time MyFunction is called // This pointer is deallocated when MyFunction returns // scope - the pointer can be accessed only within MyFunction() int* someDynamicVariable; // This line causes space for an integer to be allocated in the heap // when this line is executed. Note this is not at the beginning of // the call to MyFunction(), like the automatic variables // scope - only code within MyFunction() can access this space // *through this particular variable*. // However, if you pass the address somewhere else, that code // can access it too someDynamicVariable = new int; // This line deallocates the space for the integer in the heap. // If we did not write it, the memory would be "leaked". // Note a fundamental difference between the stack and heap // the heap must be managed. The stack is managed for us. delete someDynamicVariable; // In other cases, instead of deallocating this heap space you // might store the address somewhere more permanent to use later. // Some languages even take care of deallocation for you... but // always it needs to be taken care of at runtime by some mechanism. // When the function returns, someArgument, someLocalVariable // and the pointer someDynamicVariable are deallocated. // The space pointed to by someDynamicVariable was already // deallocated prior to returning. return; } // Note that someGlobalVariable, someStaticVariable and // someLocalStaticVariable continue to exist, and are not // deallocated until the program exits. 

A particularly poignant example of why it’s important to distinguish between lifetime and scope is that a variable can have local scope but static lifetime – for instance, “someLocalStaticVariable” in the code sample above. Such variables can make our common but informal naming habits very confusing. For instance when we say ” local ” we usually mean ” locally scoped automatically allocated variable ” and when we say global we usually mean ” globally scoped statically allocated variable “. Unfortunately when it comes to things like ” file scoped statically allocated variables ” many people just say… ” huh??? “.

Some of the syntax choices in C/C++ exacerbate this problem – for instance many people think global variables are not “static” because of the syntax shown below.

 int var1; // Has global scope and static allocation static int var2; // Has file scope and static allocation int main() {return 0;} 

Note that putting the keyword “static” in the declaration above prevents var2 from having global scope. Nevertheless, the global var1 has static allocation. This is not intuitive! For this reason, I try to never use the word “static” when describing scope, and instead say something like “file” or “file limited” scope. However many people use the phrase “static” or “static scope” to describe a variable that can only be accessed from one code file. In the context of lifetime, “static” always means the variable is allocated at program start and deallocated when program exits.

Some people think of these concepts as C/C++ specific. Ellos no son. For instance, the Python sample below illustrates all three types of allocation (there are some subtle differences possible in interpreted languages that I won’t get into here).

 from datetime import datetime class Animal: _FavoriteFood = 'Undefined' # _FavoriteFood is statically allocated def PetAnimal(self): curTime = datetime.time(datetime.now()) # curTime is automatically allocatedion print("Thank you for petting me. But it's " + str(curTime) + ", you should feed me. My favorite food is " + self._FavoriteFood) class Cat(Animal): _FavoriteFood = 'tuna' # Note since we override, Cat class has its own statically allocated _FavoriteFood variable, different from Animal's class Dog(Animal): _FavoriteFood = 'steak' # Likewise, the Dog class gets its own static variable. Important to note - this one static variable is shared among all instances of Dog, hence it is not dynamic! if __name__ == "__main__": whiskers = Cat() # Dynamically allocated fido = Dog() # Dynamically allocated rinTinTin = Dog() # Dynamically allocated whiskers.PetAnimal() fido.PetAnimal() rinTinTin.PetAnimal() Dog._FavoriteFood = 'milkbones' whiskers.PetAnimal() fido.PetAnimal() rinTinTin.PetAnimal() # Output is: # Thank you for petting me. But it's 13:05:02.255000, you should feed me. My favorite food is tuna # Thank you for petting me. But it's 13:05:02.255000, you should feed me. My favorite food is steak # Thank you for petting me. But it's 13:05:02.255000, you should feed me. My favorite food is steak # Thank you for petting me. But it's 13:05:02.255000, you should feed me. My favorite food is tuna # Thank you for petting me. But it's 13:05:02.255000, you should feed me. My favorite food is milkbones # Thank you for petting me. But it's 13:05:02.256000, you should feed me. My favorite food is milkbones 

Others have answered the broad strokes pretty well, so I’ll throw in a few details.

  1. Stack and heap need not be singular. A common situation in which you have more than one stack is if you have more than one thread in a process. In this case each thread has its own stack. You can also have more than one heap, for example some DLL configurations can result in different DLLs allocating from different heaps, which is why it’s generally a bad idea to release memory allocated by a different library.

  2. In C you can get the benefit of variable length allocation through the use of alloca , which allocates on the stack, as opposed to alloc, which allocates on the heap. This memory won’t survive your return statement, but it’s useful for a scratch buffer.

  3. Making a huge temporary buffer on Windows that you don’t use much of is not free. This is because the compiler will generate a stack probe loop that is called every time your function is entered to make sure the stack exists (because Windows uses a single guard page at the end of your stack to detect when it needs to grow the stack. If you access memory more than one page off the end of the stack you will crash). Ejemplo:

 void myfunction() { char big[10000000]; // Do something that only uses for first 1K of big 99% of the time. } 

Others have directly answered your question, but when trying to understand the stack and the heap, I think it is helpful to consider the memory layout of a traditional UNIX process (without threads and mmap() -based allocators). The Memory Management Glossary web page has a diagram of this memory layout.

The stack and heap are traditionally located at opposite ends of the process’s virtual address space. The stack grows automatically when accessed, up to a size set by the kernel (which can be adjusted with setrlimit(RLIMIT_STACK, ...) ). The heap grows when the memory allocator invokes the brk() or sbrk() system call, mapping more pages of physical memory into the process’s virtual address space.

In systems without virtual memory, such as some embedded systems, the same basic layout often applies, except the stack and heap are fixed in size. However, in other embedded systems (such as those based on Microchip PIC microcontrollers), the program stack is a separate block of memory that is not addressable by data movement instructions, and can only be modified or read indirectly through program flow instructions (call, return, etc.). Other architectures, such as Intel Itanium processors, have multiple stacks . In this sense, the stack is an element of the CPU architecture.

I think many other people have given you mostly correct answers on this matter.

One detail that has been missed, however, is that the “heap” should in fact probably be called the “free store”. The reason for this distinction is that the original free store was implemented with a data structure known as a “binomial heap.” For that reason, allocating from early implementations of malloc()/free() was allocation from a heap. However, in this modern day, most free stores are implemented with very elaborate data structures that are not binomial heaps.

The stack is a portion of memory that can be manipulated via several key assembly language instructions, such as ‘pop’ (remove and return a value from the stack) and ‘push’ (push a value to the stack), but also call (call a subroutine – this pushes the address to return to the stack) and return (return from a subroutine – this pops the address off of the stack and jumps to it). It’s the region of memory below the stack pointer register, which can be set as needed. The stack is also used for passing arguments to subroutines, and also for preserving the values in registers before calling subroutines.

The heap is a portion of memory that is given to an application by the operating system, typically through a syscall like malloc. On modern OSes this memory is a set of pages that only the calling process has access to.

The size of the stack is determined at runtime, and generally does not grow after the program launches. In a C program, the stack needs to be large enough to hold every variable declared within each function. The heap will grow dynamically as needed, but the OS is ultimately making the call (it will often grow the heap by more than the value requested by malloc, so that at least some future mallocs won’t need to go back to the kernel to get more memory. This behavior is often customizable)

Because you’ve allocated the stack before launching the program, you never need to malloc before you can use the stack, so that’s a slight advantage there. In practice, it’s very hard to predict what will be fast and what will be slow in modern operating systems that have virtual memory subsystems, because how the pages are implemented and where they are stored is an implementation detail.

What is a stack?

A stack is a pile of objects, typically one that is neatly arranged.

Ingrese la descripción de la imagen aquí

Stacks in computing architectures are regions of memory where data is added or removed in a last-in-first-out manner.
In a multi-threaded application, each thread will have its own stack.

What is a heap?

A heap is an untidy collection of things piled up haphazardly.

Ingrese la descripción de la imagen aquí

In computing architectures the heap is an area of dynamically-allocated memory that is managed automatically by the operating system or the memory manager library.
Memory on the heap is allocated, deallocated, and resized regularly during program execution, and this can lead to a problem called fragmentation.
Fragmentation occurs when memory objects are allocated with small spaces in between that are too small to hold additional memory objects.
The net result is a percentage of the heap space that is not usable for further memory allocations.

Both together

In a multi-threaded application, each thread will have its own stack. But, all the different threads will share the heap.
Because the different threads share the heap in a multi-threaded application, this also means that there has to be some coordination between the threads so that they don’t try to access and manipulate the same piece(s) of memory in the heap at the same time.

Which is faster – the stack or the heap? ¿Y por qué?

The stack is much faster than the heap.
This is because of the way that memory is allocated on the stack.
Allocating memory on the stack is as simple as moving the stack pointer up.

For people new to programming, it’s probably a good idea to use the stack since it’s easier.
Because the stack is small, you would want to use it when you know exactly how much memory you will need for your data, or if you know the size of your data is very small.
It’s better to use the heap when you know that you will need a lot of memory for your data, or you just are not sure how much memory you will need (like with a dynamic array).

Java Memory Model

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The stack is the area of memory where local variables (including method parameters) are stored. When it comes to object variables, these are merely references (pointers) to the actual objects on the heap.
Every time an object is instantiated, a chunk of heap memory is set aside to hold the data (state) of that object. Since objects can contain other objects, some of this data can in fact hold references to those nested objects.

You can do some interesting things with the stack. For instance, you have functions like alloca (assuming you can get past the copious warnings concerning its use), which is a form of malloc that specifically uses the stack, not the heap, for memory.

That said, stack-based memory errors are some of the worst I’ve experienced. If you use heap memory, and you overstep the bounds of your allocated block, you have a decent chance of triggering a segment fault. (Not 100%: your block may be incidentally contiguous with another that you have previously allocated.) But since variables created on the stack are always contiguous with each other, writing out of bounds can change the value of another variable. I have learned that whenever I feel that my program has stopped obeying the laws of logic, it is probably buffer overflow.

Simply, the stack is where local variables get created. Also, every time you call a subroutine the program counter (pointer to the next machine instruction) and any important registers, and sometimes the parameters get pushed on the stack. Then any local variables inside the subroutine are pushed onto the stack (and used from there). When the subroutine finishes, that stuff all gets popped back off the stack. The PC and register data gets and put back where it was as it is popped, so your program can go on its merry way.

The heap is the area of memory dynamic memory allocations are made out of (explicit “new” or “allocate” calls). It is a special data structure that can keep track of blocks of memory of varying sizes and their allocation status.

In “classic” systems RAM was laid out such that the stack pointer started out at the bottom of memory, the heap pointer started out at the top, and they grew towards each other. If they overlap, you are out of RAM. That doesn’t work with modern multi-threaded OSes though. Every thread has to have its own stack, and those can get created dynamicly.

From WikiAnwser.

Astackr

When a function or a method calls another function which in turns calls another function, etc., the execution of all those functions remains suspended until the very last function returns its value.

This chain of suspended function calls is the stack, because elements in the stack (function calls) depend on each other.

The stack is important to consider in exception handling and thread executions.

Heap

The heap is simply the memory used by programs to store variables. Element of the heap (variables) have no dependencies with each other and can always be accessed randomly at any time.

Astackr

  • Very fast access
  • Don’t have to explicitly de-allocate variables
  • Space is managed efficiently by CPU, memory will not become fragmented
  • Local variables only
  • Limit on stack size (OS-dependent)
  • Variables cannot be resized

Montón

  • Variables can be accessed globally
  • No limit on memory size
  • (Relatively) slower access
  • No guaranteed efficient use of space, memory may become fragmented over time as blocks of memory are allocated, then freed
  • You must manage memory (you’re in charge of allocating and freeing variables)
  • Variables can be resized using realloc()

In the 1980s, UNIX propagated like bunnies with big companies rolling their own. Exxon had one as did dozens of brand names lost to history. How memory was laid out was at the discretion of the many implementors.

A typical C program was laid out flat in memory with an opportunity to increase by changing the brk() value. Typically, the HEAP was just below this brk value and increasing brk increased the amount of available heap.

The single STACK was typically an area below HEAP which was a tract of memory containing nothing of value until the top of the next fixed block of memory. This next block was often CODE which could be overwritten by stack data in one of the famous hacks of its era.

One typical memory block was BSS (a block of zero values) which was accidentally not zeroed in one manufacturer’s offering. Another was DATA containing initialized values, including strings and numbers. A third was CODE containing CRT (C runtime), main, functions, and libraries.

The advent of virtual memory in UNIX changes many of the constraints. There is no objective reason why these blocks need be contiguous, or fixed in size, or ordered a particular way now. Of course, before UNIX was Multics which didn’t suffer from these constraints. Here is a schematic showing one of the memory layouts of that era.

A typical 1980s style UNIX C program memory layout

  • Introducción

Physical memory is the range of the physical addresses of the memory cells in which an application or system stores its data, code, and so on during execution. Memory management denotes the managing of these physical addresses by swapping the data from physical memory to a storage device and then back to physical memory when needed. The OS implements the memory management services using virtual memory. As a C# application developer you do not need to write any memory management services. The CLR uses the underlying OS memory management services to provide the memory model for C# or any other high-level language targeting the CLR.

Figure 4-1 shows physical memory that has been abstracted and managed by the OS, using the virtual memory concept. Virtual memory is the abstract view of the physical memory, managed by the OS. Virtual memory is simply a series of virtual addresses, and these virtual addresses are translated by the CPU into the physical address when needed.

Figure 4-1. CLR memory abstraction

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The CLR provides the memory management abstract layer for the virtual execution environment, using the operating memory services. The abstracted concepts the CLR uses are AppDomain, thread, stack, heapmemorymapped file, and so on. The concept of the application domain (AppDomain) gives your application an isolated execution environment.

  • Memory Interaction between the CLR and OS

By looking at the stack trace while debugging the following C# application, using WinDbg, you will see how the CLR uses the underlying OS memory management services (eg, the HeapFree method from KERNEL32.dll, the RtlpFreeHeap method from ntdll.dll) to implement its own memory model:

 using System; namespace CH_04 { class Program { static void Main(string[] args) { Book book = new Book(); Console.ReadLine(); } } public class Book { public void Print() { Console.WriteLine(ToString()); } } } 

The compiled assembly of the program is loaded into WinDbg to start debugging. You use the following commands to initialize the debugging session:

0:000> sxe ld clrjit

0:000> g

0:000> .loadby sos clr

0:000> .load C:\Windows\Microsoft.NET\Framework\v4.0.30319\sos.dll

Then, you set a breakpoint at the Main method of the Program class, using the !bpmd command:

0:000>!bpmd CH_04.exe CH_04.Program.Main

To continue the execution and break at the breakpoint, execute the g command:

0:000> g

When the execution breaks at the breakpoint, you use the !eestack command to view the stack trace details of all threads running for the current process. The following output shows the stack trace for all the threads running for the application CH_04.exe:

0:000> !eestack


Thread 0

Current frame: (MethodDesc 00233800 +0 CH_04.Program.Main(System.String[]))

ChildEBP RetAddr Caller, Callee

0022ed24 5faf21db clr!CallDescrWorker+0x33

/ trace removed /

0022f218 77712d68 ntdll!RtlFreeHeap+0x142, calling ntdll!RtlpFreeHeap

0022f238 771df1ac KERNEL32!HeapFree+0x14, calling ntdll!RtlFreeHeap

0022f24c 5fb4c036 clr!EEHeapFree+0x36, calling KERNEL32!HeapFree

0022f260 5fb4c09d clr!EEHeapFreeInProcessHeap+0x24, calling clr!EEHeapFree

0022f274 5fb4c06d clr!operator delete[]+0x30, calling clr!EEHeapFreeInProcessHeap / trace removed /

0022f4d0 7771316f ntdll!RtlpFreeHeap+0xb7a, calling ntdll!_SEH_epilog4

0022f4d4 77712d68 ntdll!RtlFreeHeap+0x142, calling ntdll!RtlpFreeHeap

0022f4f4 771df1ac KERNEL32!HeapFree+0x14, calling ntdll!RtlFreeHeap

/ trace removed /

This stack trace indicates that the CLR uses OS memory management services to implement its own memory model. Any memory operation in.NET goes via the CLR memory layer to the OS memory management layer.

Figure 4-2 illustrates a typical C# application memory model used by the CLR at runtime.

Figure 4-2 . A typical C# application memory model enter image description here

The CLR memory model is tightly coupled with the OS memory management services. To understand the CLR memory model, it is important to understand the underlying OS memory model. It is also crucial to know how the physical memory address space is abstracted into the virtual memory address space, the ways the virtual address space is being used by the user application and system application, how virtual-to-physical address mapping works, how memory-mapped file works, and so on. This background knowledge will improve your grasp of CLR memory model concepts, including AppDomain, stack, and heap.

For more information, refer to this book:

C# Deconstructed: Discover how C# works on the .NET Framework

This book + ClrViaC# + Windows Internals are excellent resources to known .net framework in depth and relation with OS.

In Sort

A stack is used for static memory allocation and a heap for dynamic memory allocation, both stored in the computer’s RAM.


En detalle

The Stack

The stack is a “LIFO” (last in, first out) data structure, that is managed and optimized by the CPU quite closely. Every time a function declares a new variable, it is “pushed” onto the stack. Then every time a function exits, all of the variables pushed onto the stack by that function, are freed (that is to say, they are deleted). Once a stack variable is freed, that region of memory becomes available for other stack variables.

The advantage of using the stack to store variables, is that memory is managed for you. You don’t have to allocate memory by hand, or free it once you don’t need it any more. What’s more, because the CPU organizes stack memory so efficiently, reading from and writing to stack variables is very fast.

More can be found here .


The Heap

The heap is a region of your computer’s memory that is not managed automatically for you, and is not as tightly managed by the CPU. It is a more free-floating region of memory (and is larger). To allocate memory on the heap, you must use malloc() or calloc(), which are built-in C functions. Once you have allocated memory on the heap, you are responsible for using free() to deallocate that memory once you don’t need it any more.

If you fail to do this, your program will have what is known as a memory leak. That is, memory on the heap will still be set aside (and won’t be available to other processes). As we will see in the debugging section, there is a tool called Valgrind that can help you detect memory leaks.

Unlike the stack, the heap does not have size restrictions on variable size (apart from the obvious physical limitations of your computer). Heap memory is slightly slower to be read from and written to, because one has to use pointers to access memory on the heap. We will talk about pointers shortly.

Unlike the stack, variables created on the heap are accessible by any function, anywhere in your program. Heap variables are essentially global in scope.

More can be found here .


Variables allocated on the stack are stored directly to the memory and access to this memory is very fast, and its allocation is dealt with when the program is compiled. When a function or a method calls another function which in turns calls another function, etc., the execution of all those functions remains suspended until the very last function returns its value. The stack is always reserved in a LIFO order, the most recently reserved block is always the next block to be freed. This makes it really simple to keep track of the stack, freeing a block from the stack is nothing more than adjusting one pointer.

Variables allocated on the heap have their memory allocated at run time and accessing this memory is a bit slower, but the heap size is only limited by the size of virtual memory. Elements of the heap have no dependencies with each other and can always be accessed randomly at any time. You can allocate a block at any time and free it at any time. This makes it much more complex to keep track of which parts of the heap are allocated or free at any given time.

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You can use the stack if you know exactly how much data you need to allocate before compile time, and it is not too big. You can use the heap if you don’t know exactly how much data you will need at runtime or if you need to allocate a lot of data.

In a multi-threaded situation each thread will have its own completely independent stack, but they will share the heap. The stack is thread specific and the heap is application specific. The stack is important to consider in exception handling and thread executions.

Each thread gets a stack, while there’s typically only one heap for the application (although it isn’t uncommon to have multiple heaps for different types of allocation).

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At run-time, if the application needs more heap, it can allocate memory from free memory and if the stack needs memory, it can allocate memory from free memory allocated memory for the application.

Even, more detail is given here and here .


Now come to your question’s answers .

To what extent are they controlled by the OS or language runtime?

The OS allocates the stack for each system-level thread when the thread is created. Typically the OS is called by the language runtime to allocate the heap for the application.

More can be found here .

What is their scope?

Already given in top.

“You can use the stack if you know exactly how much data you need to allocate before compile time, and it is not too big. You can use the heap if you don’t know exactly how much data you will need at runtime or if you need to allocate a lot of data.”

More can be found in here .

What determines the size of each of them?

The size of the stack is set by OS when a thread is created. The size of the heap is set on application startup, but it can grow as space is needed (the allocator requests more memory from the operating system).

What makes one faster?

Stack allocation is much faster since all it really does is move the stack pointer. Using memory pools, you can get comparable performance out of heap allocation, but that comes with a slight added complexity and its own headaches.

Also, stack vs. heap is not only a performance consideration; it also tells you a lot about the expected lifetime of objects.

Details can be found from here .

A couple of cents: I think, it will be good to draw memory graphical and more simple:

This is my vision of process memory construction with simplification for more easy understanding wht happening

Arrows – show where grow stack and heap, process stack size have limit, defined in OS, thread stack size limits by parameters in thread create API usually. Heap usually limiting by process maximum virtual memory size, for 32 bit 2-4 GB for example.

So simple way: process heap is general for process and all threads inside, using for memory allocation in common case with something like malloc() .

Stack is quick memory for store in common case function return pointers and variables, processed as parameters in function call, local function variables.

OK, simply and in short words, they mean ordered and not ordered …!

Stack : In stack items, things get on the top of each-other, means gonna be faster and more efficient to be processed!…

So there is always an index to point the specific item, also processing gonna be faster, there is relationship between the items as well!…

Heap : No order, processing gonna be slower and values are messed up together with no specific order or index… there are random and there is no relationship between them… so execution and usage time could be vary…

I also create the image below to show how they may look like:

enter image description here

Since some answers went nitpicking, I’m going to contribute my mite.

Surprisingly, no one has mentioned that multiple (ie not related to the number of running OS-level threads) call stacks are to be found not only in exotic languages (PostScript) or platforms (Intel Itanium), but also in fibers , green threads and some implementations of coroutines .

Fibers, green threads and coroutines are in many ways similar, which leads to much confusion. The difference between fibers and green threads is that the former use cooperative multitasking, while the latter may feature either cooperative or preemptive one (or even both). For the distinction between fibers and coroutines, see here .

In any case, the purpose of both fibers, green threads and coroutines is having multiple functions executing concurrently, but not in parallel (see this SO question for the distinction) within a single OS-level thread, transferring control back and forth from one another in an organized fashion.

When using fibers, green threads or coroutines, you usually have a separate stack per function. (Technically, not just a stack but a whole context of execution is per function. Most importantly, CPU registers.) For every thread there’re as many stacks as there’re concurrently running functions, and the thread is switching between executing each function according to the logic of your program. When a function runs to its end, its stack is destroyed. So, the number and lifetimes of stacks are dynamic and are not determined by the number of OS-level threads!

Note that I said ” usually have a separate stack per function”. There’re both stackful and stackless implementations of couroutines. Most notable stackful C++ implementations are Boost.Coroutine and Microsoft PPL ‘s async/await . (However, C++’s resumble functions (aka ” async and await “), which were proposed to C++17, are likely to use stackless coroutines.)

Fibers proposal to the C++ standard library is forthcoming. Also, there’re some third-party libraries . Green threads are extremely popular in languages like Python and Ruby.

stack , heap and data of each process in virtual memory:

stack, heap and static data

I have something to share with you, although major points are already penned.

Astackr

  • Very fast access.
  • Stored in RAM.
  • Function calls are loaded here along with the local variables and function parameters passed.
  • Space is freed automatically when program goes out of a scope.
  • Stored in sequential memory.

Montón

  • Slow access comparatively to Stack.
  • Stored in RAM.
  • Dynamically created variables are stored here, which later requires freeing the allocated memory after use.
  • Stored wherever memory allocation is done, accessed by pointer always.

Interesting note:

  • Should the function calls had been stored in heap, it would had resulted in 2 messy points:
    1. Due to sequential storage in stack, execution is faster. Storage in heap would have resulted in huge time consumption thus resulting whole program to execute slower.
    2. If functions were stored in heap (messy storage pointed by pointer), there would have been no way to return to the caller address back (which stack gives due to sequential storage in memory).

Feedbacks are wellcomed.

A lot of answers are correct as concepts, but we must note that a stack is needed by the hardware (ie microprocessor) to allow calling subroutines (CALL in assembly language..). (OOP guys will call it methods )

On the stack you save return addresses and call → push / ret → pop is managed directly in hardware.

You can use the stack to pass parameters.. even if it is slower than using registers (would a microprocessor guru say or a good 1980s BIOS book…)

  • Without stack no microprocessor can work. (we can’t imagine a program, even in assembly language, without subroutines/functions)
  • Without the heap it can. (An assembly language program can work without, as the heap is a OS concept, as malloc, that is a OS/Lib call.

Stack usage is faster as:

  • Is hardware, and even push/pop are very efficient.
  • malloc requires entering kernel mode, use lock/semaphore (or other synchronization primitives) executing some code and manage some structures needed to keep track of allocation.