为什么栈内存这么快？
本文基于 YouTube 频道 Core Dumped 视频《WHY IS THE STACK SO FAST?》整理
背景介绍
低级语言（如 C/C++）需要程序员明确指定变量大小。无法定义动态大小的数组，除非给定固定大小。
int arr[10]; // 大小固定，编译期已知
int arr[]; // 编译器报错，不允许
这样限制导致数组大小在程序生命周期内不可变。
栈是什么？
栈是一种 后进先出（LIFO） 数据结构，最后压入的元素最先弹出。
在程序中，栈用来管理函数调用、局部变量。
栈空间大小有限，超出则会产生“栈溢出”。
操作系统与内存管理基础
程序执行时不能随意读写内存，必须由操作系统分配。
操作系统为每个进程分配一块连续的内存空间。
如果访问未分配内存，程序崩溃，报“段错误”（Segmentation Fault）
操作系统分配内存时，并不会精确按照程序请求的字节数分配，而是以较大的连续内存块（chunk）为单位分配。
这块内存块在程序内部可以被进一步管理和细分，但如果程序没有合理组织内存，可能会产生内存碎片。
如果数据没有连续存储，即使总空闲内存足够，也无法分配称为“外部碎片”。
虚拟内存与缓存
操作系统借助磁盘空间（swap）实现虚拟内存，扩展可用内存，但速度远慢于物理内存。
CPU 内置高速缓存（Cache）存储最近使用的数据，提高访问速度。
数据越紧凑，越容易放入缓存，提高缓存命中率，提升程序性能。
栈为何快速？
程序启动时，操作系统为栈预先分配一块固定大小内存区域。
栈由 栈指针（Stack Pointer, SP） 管理，通常存储于 CPU 寄存器。
内存分配只需简单调整指针，无需复杂计算或系统调用。
栈结构示意（内存地址由高到底排列）：
+--------------------------+ ← 高地址
| 栈空间 | ← 存储函数局部变量、返回地址等
| |
| ... |
| |
| 栈顶指针 (SP) 指向这里 | ← 当前栈顶位置
+--------------------------+ ← 低地址
入栈时，SP 向低地址方向移动，分配内存。
出栈时，SP 向高地址方向移动，释放内存。
这种顺序保证了高效且无碎片。
函数调用与栈帧
什么是栈帧？
栈帧，也称为活动记录（Activation Record），是函数调用时在栈上为该函数调用分配的一块内存区域。
它存储了函数执行期间所需的所有信息，包括：
函数参数（传入的参数）
返回地址（函数执行完后，程序返回到的指令地址）
具体来说，它存的是一个“内存地址”，即函数调用后，程序执行应继续的指令所在内存的地址（PC，程序计数器）。
这是一个机器码指令的地址，CPU 跳转到这里开始执行后续代码。
局部变量（函数内部定义的变量）
保存的寄存器状态（部分架构下）
调试信息、对齐填充等（具体视编译器和架构而定）
栈帧的结构示意
高地址
+--------------------------+
| 上一个栈帧的内容（调用者） |
+--------------------------+
| 返回地址 | ← 函数执行完跳转回调用点的地址
+--------------------------+
| 函数参数 | ← 传给函数的参数
+--------------------------+
| 保存的寄存器值 | ← 用于恢复调用前CPU状态（部分架构）
+--------------------------+
| 局部变量 | ← 函数内定义的变量
+--------------------------+
| 临时变量 | ← 计算时产生的临时数据
+--------------------------+
| 栈顶指针 (SP) | ← 当前函数栈帧底部（栈顶）
+--------------------------+
低地址
栈帧的生命周期
函数调用时
CPU 将返回地址压入栈中，保存调用位置。
将函数参数按照调用约定压入栈中。
栈指针（SP）移动，给局部变量留出空间。
保存需要保护的寄存器值（调用者保存寄存器）到栈中。
函数执行期间
函数可以访问其局部变量和参数。
使用栈空间存储临时计算结果。
函数返回时
将返回值写入规定的位置（寄存器或栈，小型放寄存器，大型放调用者分配的内存空间）。
恢复寄存器状态。
将栈指针复位到调用前位置，弹出当前栈帧。
跳转到返回地址继续执行调用者代码。
函数调用的示意流程
假设主函数调用 foo(a, b)：
调用前栈状态（SP指向栈顶）
+-----------------+
调用 foo：
1. 先把返回地址压入栈（执行完foo要回来的地方）
2. 将参数a, b按约定顺序压入栈
3. 调整栈指针，为foo的局部变量分配空间
4. 进入foo函数体，使用局部变量
执行完foo：
5. foo将返回值放入指定寄存器或栈位置
6. 恢复栈指针，弹出foo的栈帧
7. 跳转到返回地址，继续主函数执行
为什么使用栈帧？
实现函数的调用和返回机制：保存调用现场和返回地址。
管理函数参数和局部变量：让函数内部变量隔离，防止干扰。
支持递归调用：每次递归生成独立栈帧，互不影响。
节省空间和提升性能：通过栈指针移动快速分配和释放内存。
多线程与栈帧
每个线程有自己的独立栈空间和栈帧链。
栈帧结构相同，但栈顶指针独立，互不干扰。
典型调用约定影响
调用约定（Calling Convention）规定参数传递方式（寄存器或栈）、返回值位置、栈清理责任等。
常见约定有 cdecl、stdcall、fastcall 等。
不同约定会影响栈帧布局和大小。
代码示例
int foo(int x, int y) {
int z = x + y; // 局部变量 z
return z * 2;
}
int main() {
int a = 3, b = 4;
int c = foo(a, b);
}
main 调用 foo 时的栈帧布局可能如下：
地址
内容
...
main 的栈帧
返回地址
main 中调用 foo 后继续执行位置
参数 b
4
参数 a
3
foo 的局部变量 z
x + y = 7
...
foo 栈帧底部
栈帧错误示例
栈溢出：递归调用过深，栈帧层层叠加，超出预分配空间。
访问非法栈地址：指针越界或释放后访问导致程序崩溃。
内存分配示例对比
栈内存分配流程
allocate(size):
SP = SP - size
return SP
操作简单，仅移动栈顶指针。
无需搜索空闲块，无碎片问题。
分配速度快。
堆内存分配流程（简化）
allocate(size):
查找合适空闲块
分割空闲块
返回地址
需要复杂数据结构维护空闲块。
可能触发系统调用分配新内存（chunk）。
分配速度慢。
栈的局限性
大小固定，通常几 MB，不能动态增长。
不支持运行时动态大小数组。
深度递归可能导致栈溢出。
多线程程序中，每个线程有独立栈，不能共享。
栈和堆在多线程中的关系与影响
栈（Stack）与多线程
每个线程都有自己的独立栈空间
操作系统为每个新线程分配独立的栈空间，用于存放该线程的函数调用栈帧、局部变量、返回地址等。
→ 线程间栈空间相互隔离，避免竞争。
栈空间大小固定且较小
线程栈通常是有限的（比如几MB），过多线程或深度递归会导致栈溢出（Stack Overflow）。
→ 需要合理控制线程数量和递归深度。
栈上的数据只在线程内部有效
栈是线程私有的，局部变量在函数结束后释放，不能跨线程访问。
栈空间增长/缩小通常受限
栈大小在创建线程时确定，不同系统/环境有不同默认大小，可设置。
堆（Heap）与多线程
所有线程共享同一个堆
堆是进程级资源，所有线程共同使用，用于动态分配内存（new/malloc）。
堆分配是线程安全的（但开销较大）
现代内存分配器（如glibc malloc、jemalloc、tcmalloc）通常实现了多线程安全机制，避免多线程同时操作堆时出现数据竞争。
→ 这可能导致锁竞争或性能下降。
并发分配/释放带来的碎片和锁竞争问题
多线程频繁分配释放堆内存可能导致碎片化加剧，内存分配器需设计高效算法减少锁粒度和竞争。
线程局部存储（Thread Local Storage, TLS）
为减少堆上的锁竞争，有些程序会采用 TLS，给每个线程维护独立的内存池或缓存。
多线程下栈和堆的协作示意
线程1: 线程2: 线程3:
+---------+ +---------+ +---------+
| 栈空间1 | | 栈空间2 | | 栈空间3 | <-- 独立
+---------+ +---------+ +---------+
\ | /
\ | /
\ | /
+----------------+
| 堆（Heap） | <-- 共享
+----------------+
主要影响与建议
方面
说明
建议
栈大小
栈空间小，线程多时容易溢出
适当调整线程栈大小，避免深度递归
堆内存分配
多线程访问堆存在锁竞争，可能影响性能
使用高效的多线程内存分配器，或 TLS
数据安全
栈数据线程私有，堆数据共享需同步
跨线程访问堆数据需做好同步和线程安全
内存碎片
多线程频繁堆分配/释放可能导致内存碎片
减少频繁小内存分配，使用对象池等技术
线程局部缓存
为减少堆锁竞争，分配器常用线程局部缓存提高性能
利用 TLS 或专用内存池
总结
栈因预分配固定内存和简单指针操作而非常快速。
紧凑内存布局提高 CPU 缓存命中率，进一步提升性能。
适合存储局部变量和短生命周期数据。
堆适合动态、生命周期复杂的数据，分配更慢，且涉及系统调用分配大块chunk。