Почему память разбита на стек и кучу?

Стек: Стек используется как своего рода временная блокнотная книга для блока кода, который в данный момент выполняется, и любого блока, который называется текущим, и любого блока, который называется этим, и так далее. При выходе из текущего блока локальные переменные, которые он использовал, забываются. Как видно из названия, стек используется по принципу «последним пришел - первым вышел».

Одно из наиболее важных применений стека - отслеживать текущую цепочку вызовов. Когда одна функция вызывает другую, вызывающая сторона помещает адрес следующей инструкции (адрес возврата) в стек. При выходе из каждой функции она извлекает из стека адрес возврата вызывающей стороны и продолжает выполнение кода, начиная с этого адреса. Он также используется для передачи параметров функции и возвращаемых значений между вызывающим и вызываемым объектами.

Куча. Куча отличается - в ней нет определенного порядка. Если вы хотите выделить память в блоке кода и разместить эту карту памяти за концом блока, вы выделяете ее в куче. Конечно, вам также необходимо где-нибудь сохранить указатель / ссылку на него, чтобы другой код мог найти эту память; большинство языков предоставляют для этого приспособление.

Скорость: разница в скорости не связана с каким-либо свойством самой памяти - как вы говорите в своем вопросе, и стек, и куча обычно занимают одну и ту же физическую память. Выделение места в стеке происходит быстро из-за природы стека LIFO: если вы поместите что-то в стек, это может закончиться только в одном месте. Напротив, выделение блока в куче требует поиска достаточно большой непрерывной свободной области в памяти. Выделение стека может происходить так же быстро, как одна инструкция; для выделения кучи требуется вызов функции выделения памяти, такой как malloc().

Статический или динамический: распределение памяти в куче является динамическим - следует ли выделять блок, и размер блока может быть определен в соответствии с входными данными, которые программа получает во время работы. При необходимости можно даже изменить размер областей памяти, выделенных в куче. Также возможно динамически выделять память в стеке (см. Функцию стандартной библиотеки C alloca()), но эта память будет потеряна, как только текущая функция завершится. Выделение стека обычно является статическим - компилятор определяет, сколько места необходимо для (не регистровых) параметров, возвращаемых данных и локальных переменных, и генерирует код, чтобы зарезервировать необходимое пространство в стеке при вызове функции.

Пример. Представьте, что вы создаете текстовый процессор. Вы не можете заранее знать, какого размера будет документ или сколько документов будет использоваться одновременно. В то же время вы хотите, чтобы документы пользователя оставались в памяти до тех пор, пока пользователь хочет держать их открытыми. Если вы попытаетесь выделить память для документов в стеке, вам будет сложно открыть более одного документа одновременно, и вам потребуется создать единую функцию, которая создает, редактирует, сохраняет и закрывает документ. Выделение пространства в куче позволяет вам создавать столько документов, сколько вам нужно, каждый из которых имеет размер, соответствующий содержащимся в нем данным, и не связывать время жизни документов со временем жизни какой-либо конкретной функции.

Резюме. В двух словах, стек хранит значения переменных (иногда вместо них используются регистры), а куча используется для выделения памяти, которая будет использоваться по истечении срока жизни текущего блока.

Вы не можете использовать только стек, потому что для стека требуется порядок распределения и освобождения "последний пришел - первый ушел" (то есть вы можете освободить только самые новые выделенные данные; в стеке вы не можете освободить некоторые старые данные и сохранить некоторые новые).

Собственно, от стека можно избавиться (оставив только кучу). См. Статью Аппеля Сборка мусора может быть быстрее, чем распределение стека и его книгу Компиляция с продолжением.

И куча не имеет четко определенного значения (кроме «динамически выделяемой памяти, которой нет в стеке»). На самом деле, в системах Linux выделение большого количества памяти с помощью системного вызова mmap является справедливым быстро (но malloc реализации стараются избегать mmap и предпочитают повторно использовать free-d память). Проблема заключается в выделении небольших зон памяти.

И узнайте больше о методах сбора мусора. В C или C ++ вы можете использовать GC Boehm

Стек часто бывает полезен, особенно для рекурсивных вызовов функций. Это настолько полезно (например, в C), что современные процессоры обычно имеют специальный регистр указателя стека (используемый машинными инструкциями CALL & RET для вызова и возврата). Но так было не всегда; на некоторых процессорах (например, IBM360) указатель стека является обычным регистром, а не жестко запрограммированным.

См. Также это и это ответы (и другие) о виртуальном адресном пространстве.

Память одинакова для них обоих, но стек и куча - это две разные структуры данных, которые полезны для разных целей.

Стек - это очень примитивная абстракция, которая необходима любому микропроцессору для выполнения инструкций на паре операндов (обычно регистрах процессора или адресах памяти).

Куча - это общая область памяти для распределения, где обычно вы хотите хранить данные, которые не привязаны к стеку, то есть их время жизни длиннее, чем при хранении в стеке, или, иначе говоря, к данным будут обращаться разные части кода.