linux mm: Heap / Stack工作原理及应用

一、定义

Stack（栈）：函数调用时自动分配、自动释放的内存，由系统管。
Heap（堆）：手动申请、手动释放（或GC回收）的内存，由你管。

二、内存布局

从上到下（高地址 → 低地址）：

1. Kernel Space（内核空间，用户不能直接访问）

2. Stack（栈）
   1) 从高地址往低地址生长
   2) 函数调用、局部变量、返回地址、寄存器上下文
3. Memory Mapping Segment（mmap 区，动态库、文件映射）
4. Heap（堆）
   1) 从低地址往高地址生长
   2) malloc / new / free / delete 管理
5. Data Segment
    ★ 已初始化全局/静态变量
6. BSS Segment
   ★ 未初始化全局/静态变量（默认 0）
7. Text Segment
   ★ 代码段、可执行指令

三、 Stack 详细说明

定义

1) 栈是一块连续内存，遵循 LIFO（后进先出）。
2) 每调用一个函数，就压入一个 Stack Frame（栈帧）。

栈帧里一般存:

a) 函数参数
b) 局部变量
c) 返回地址
d) 旧栈帧指针（ebp/rbp）
e) 保存的寄存器

常用寄存器

ebp ：栈帧基址指针（固定不动）
esp ：栈顶指针（一直变）特点

特点
- 自动分配、自动释放
- 速度极快
- 空间小（默认几 MB）
- 不会碎片
- 线程独有（每个线程一个栈）

x86/x64函数调用栈对比

四、Heap 详细说明

定义

堆是一块大内存池，用于动态分配，由程序手动控制。

管理方式

- C： malloc / calloc / realloc / free 
- C++： new / delete 
- Java/Go/Python：GC 自动回收

特点

- 空间大（几 GB）
- 分配慢
- 会产生内存碎片
- 进程共享（多线程共享堆）
- 必须手动管理/GC，否则泄漏


五、 最核心对比表

6-1 栈的应用

int add(int a, int b) {
    int x = 10;
    int y = 20;
    return x + y + a + b;
}

int main() {
    add(100, 200);
    return 0;
}

函数栈结构

函数汇编

; 进入 add 函数，建立栈帧

push ebp            ; 保存旧 ebp

mov  ebp, esp        ; ebp = 栈顶

sub  esp, 8          ; 给 2 个局部变量开空间(8 字节)

; 给局部变量赋值

mov  dword ptr [ebp-4], 10   ; x = 10

mov  dword ptr [ebp-8], 20   ; y = 20

; 取值计算

mov  eax, [ebp-4]      ; eax = x

add  eax, [ebp-8]      ; eax += y

add  eax, [ebp+8]       ; eax += a

add  eax, [ebp+12]      ; eax += b

; 销毁栈帧

mov  esp, ebp

pop  ebp

ret

6-2 堆的应用
// 全局变量 → Data / BSS 段
int global_var = 10;

void func() {
    // 局部变量 → Stack
    int stack_var = 20;

    // 指针本身在 Stack
    // 指向的内存在 Heap
    int* heap_ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
    *heap_ptr = 30;

    // 必须 free，否则泄漏
    free(heap_ptr);
}
 

七、 应用中常见问题

1）栈溢出（Stack Overflow）：递归太深、局部数组太大。
2）堆泄漏（Memory Leak）：malloc 没 free。
3）野指针：free 后还在用。
4）线程安全：栈变量线程安全；堆变量需要锁。