4张图搞懂堆和栈的区别
1. 堆和栈的基本概念
今天我们来聊聊堆栈，堆栈是软件开发人员绕不过的一个概念。
堆栈指的是堆和栈两种内存区域。
很多读者喜欢从数据结构的角度来学习堆栈，这种方式并不会让大家真正理解堆栈。
1.1. 进程地址空间
进程地址空间可以分为两种类型：用户空间和内核空间。
用户空间是操作系统为每个进程分配的私有地址空间，是进程可以直接访问的内存区域，如图 1 所示。
图 1：进程地址空间
以 32 位系统为例，用户空间被划分为以下几个区域：
- 代码段（Text Segment）：存放程序的指令代码，是只读区域。
- 数据段（Data Segment）：存储程序中已初始化的全局变量和静态变量，是可读写的区域，用于存放程序运行时的数据。
- BSS 段（Block Started by Symbol Segment）：存放未初始化的全局变量和静态变量，程序启动时由操作系统初始化为零。
- 堆（Heap）：用于动态内存分配，程序运行时通过
malloc或new等函数分配内存，大小可变，用于存储动态数据。 - 栈（Stack）：用于存储函数调用时的局部变量、函数参数和返回地址等信息，大小有限，遵循后进先出（LIFO）原则。
虽然进程地址空间被划分为不同的区域，但是这些区域并没有本质的区别，它们只是一块用于存储数据或代码的内存区域而已。
就像我们买了一个房子，我们会对每个房间的功能进行划分，以此来满足我们的生活需求，但是每个房间并没有本质区别。
进程地址空间指的是虚拟地址空间，虚拟地址空间的范围为 0-4G（32 位系统），0-3G（0xC0000000）为用户空间，3G-4G 为内核空间。
虚拟地址需要转换成物理地址才能访问物理内存或者外部设备，转换的方法是页表机制，有兴趣的同学可以看一下我的这篇文章：一张图搞懂 mmap 实现原理（通俗易懂）
1.2. 堆和栈实现原理
关于进程地址空间，有过一定编程经验的同学应该都很了解。
但是，对于大部分读者来说，进程地址空间仅仅只是一个理论模型，本节我们把进程地址空间具象化（从理论模型变为具体实现），让大家彻底搞懂它。
图 2：进程地址空间的内核实现
如图 2 所示，从内核的角度来看，每个用户程序都是一个 task_struct 结构，task_struct 结构表示一个进程或者线程，其定义如下：
struct task_struct {
/* 1. 进程状态与标识 */
volatile long state; // 进程状态：TASK_RUNNING(运行/就绪), TASK_INTERRUPTIBLE(可中断睡眠) 等
pid_t pid; // 进程唯一标识符 (PID)
pid_t tgid; // 线程组 ID（主线程 PID，用于标识线程归属）
char comm[TASK_COMM_LEN]; // 进程名称（如通过 `ps` 查看的命令名）
/* 2. 调度信息 */
int prio; // 动态优先级（调度器实际使用的优先级）
int static_prio; // 静态优先级（用户设定的基准值）
unsigned int policy; // 调度策略：SCHED_NORMAL(普通), SCHED_FIFO(实时先进先出) 等
struct sched_info sched_info; // 调度统计信息（如运行时间片）
/* 3. 进程关系 */
struct task_struct __rcu *real_parent; // 原始父进程（创建者）
struct task_struct __rcu *parent; // 当前父进程（接收 SIGCHLD 信号）
struct list_head children; // 子进程链表头
struct list_head sibling; // 兄弟进程链表节点（链接到父进程的 children 链表）
/* 4. 内存与资源 */
struct mm_struct *mm; // 进程内存管理结构（虚拟内存布局、页表等）
struct fs_struct *fs; // 文件系统信息（工作目录、根目录）
struct files_struct *files; // 打开的文件描述符表
/* 5. 信号处理 */
sigset_t pending; // 待处理信号集
sigset_t blocked; // 阻塞（屏蔽）信号掩码
struct signal_struct *signal; // 信号处理函数及共享属性（如线程组共享信号）
};
task_struct 结构中有一个 mm 成员（struct mm_struct 结构），这个成员就是用来表示进程地址空间，struct mm_struct 结构体定义如下：
struct mm_struct {
/* 1. 页表与地址空间 */
pgd_t *pgd; // 页全局目录（Page Global Directory）基地址
unsigned long task_size; // 用户空间大小（TASK_SIZE 常量值）
unsigned long mmap_base; // 内存映射起始地址（栈/共享库的基准）
/* 2. 内存布局关键边界 */
unsigned long start_code, end_code; // 代码段起始/结束地址
unsigned long start_data, end_data; // 数据段起始/结束地址
unsigned long start_brk, brk; // 堆起始地址/当前堆顶
unsigned long start_stack; // 栈起始地址（向下增长）
};
mm_struct 结构的 start_code 和 end_code 成员记录了代码段的起始和结束地址，start_data 和 end_data 成员记录了数据段的起始和结束地址。
start_brk 和 brk 成员记录了堆的起始地址和当前边界地址（堆顶），start_stack 记录了栈的起始地址（栈底）。
到了这一步，我想读者们对进程地址空间开始有直观的了解了。
说句题外话，每个进程都会通过虚拟地址空间来记录数据和代码片段，对于内核来说，进程就是一个个代码和数据的集合。
进程的调度就是 CPU 选择不同的代码和数据来运行的过程。
本文的主角是堆和栈，我们把注意力放在堆和栈上面。
我们先来聊聊栈，start_stack 记录栈的起始地址（栈底），即栈空间的最高地址（栈从高地址向低地址增长）。
只知道栈的起始地址还不够，我们还要知道栈的大小，这样才能完整描述一个栈空间。
进程栈的大小默认为 8MB，可通过 ulimit -s 命令查看和修改。
我们再来聊聊堆，start_brk 记录堆的起始地址（堆空间的最低地址，堆从低地址向高地址增长），brk 记录堆的当前边界地址（堆顶），堆的实际大小通过 brk - start_brk 来计算。
堆的最大值默认是没有限制的（受物理内存限制），可通过 ulimit -d 命令查看和修改。
由于堆的大小没有限制，所以我们编程时，如果需要申请一大块内存，通常需要从堆空间进行申请（调用 malloc 等函数）。
1.2.1. 为什么堆有一个 brk 成员？
堆的最大值通常是没有限制的或者会被限制为一个比较大的值。
如果堆空间的虚拟地址全部映射为物理地址，那么物理地址可能会被耗尽。
然而这仅仅只是一个进程的堆空间地址映射，如果系统中每个进程都进行堆空间地址映射，这将是一场灾难。
为了避免出现这样的问题，内核通过 brk 成员来动态指定堆的实际大小，即按需进行堆空间地址映射。
当用户程序使用的堆内存超过 brk 时，调高 brk 值进行扩容，当回收了大块堆内存时，调低 brk 进行缩容。
1.3. 正确使用堆
相较于堆，栈的使用非常简单，因为栈不需要用户程序手动管理，系统会自动帮我们管理栈内存的申请和释放。
需要注意的是，用户程序不能进行一些违规的操作，如：创建一个超大的局部数组或者进行无限递归调用，这样会导致栈溢出等问题。
堆的使用比较复杂，用户程序除了需要动态申请和释放堆内存，还要进行动态扩容和缩容。
1.3.1. 堆内存动态扩容和缩容
Linux 系统通过系统调用或 glibc 提供的接口来实现堆内存动态扩容和缩容。
扩容和缩容的本质是修改 struct mm_struct 结构的 brk 成员的值。
1.3.1.1. brk 系统调用
brk 系统调用定义如下：
#include <sys/syscall.h>
syscall(SYS_brk, addr);
参数说明：addr 为 unsigned long 类型，表示堆当前边界值，分为以下几种情况：
- 扩展堆：当
addr> 当前堆顶时，向上移动brk指针，分配新内存，调用成功后返回更新后的堆当前边界值。 - 收缩堆：当
addr< 当前堆顶时，向下移动brk指针，释放堆顶内存，调用成功后返回更新后的堆当前边界值。 - 查询边界：
brk(0)返回堆当前边界值。
具体实现原理如图 3 所示。
图 3：brk 系统调用实现原理
brk 系统调用示例代码如下：
// 获取当前堆的结束地址
void* current_brk = (void*) syscall(SYS_brk, 0);
printf("current heap end: %p\n", current_brk);
// 尝试将堆的大小增加 1024 字节
void* new_brk = (void*) syscall(SYS_brk, (unsigned long)current_brk + 1024);
printf("new heap end: %p\n", new_brk);
// 尝试将堆的大小减少 512 字节
new_brk = (void*) syscall(SYS_brk, (unsigned long)new_brk - 512);
printf("new heap end: %p\n", new_brk);
1.3.1.2. glibc brk 函数
需要注意的是，glibc 也定义了一个 brk 函数（非系统调用），函数原型如下：
#include <unistd.h>
int brk(void *addr);
参数说明：addr 为 void * 类型，分为以下几种情况：
- 扩展堆：当
addr> 当前堆顶时，向上移动brk指针，分配新内存。 - 收缩堆：当
addr< 当前堆顶时，向下移动brk指针，释放堆顶内存。
返回值：
- 成功：返回 0。
- 失败：返回 -1，并设置
errno为ENOMEM，表示内存不足或请求不合理。
注意：glibc 定义的 brk 函数传入参数 0，并不会返回堆当前边界值。
glibc brk 函数示例代码如下：
// 获取当前堆的结束地址
void* current_brk = sbrk(0);
printf("current heap end: %p\n", current_brk);
// 尝试将堆的结束地址移动 1024 字节
brk(current_brk + 1024);
// 再次获取当前堆的结束地址
void* new_brk = sbrk(0);
printf("new heap end: %p\n", new_brk);
// 尝试将堆的结束地址减少 512 字节
brk(new_brk - 512);
// 再次获取当前堆的结束地址
void* final_brk = sbrk(0);
printf("final heap end: %p\n", final_brk);
1.3.1.3. glibc sbrk 函数
为了更方便地设置堆的大小，glibc 还定义了一个 sbrk 函数，sbrk 函数原型如下：
#include <unistd.h>
void* sbrk(intptr_t increment);
参数说明：increment 指定堆大小的变化量。
increment为正数，表示增加堆的大小。increment为负数，表示减少堆的大小。increment为 0，返回堆当前边界值。
返回值：
- 成功：返回调整后的堆当前边界值。
- 失败：返回
(void*) -1，并设置errno。
sbrk 函数示例代码如下：
// 获取当前堆的结束地址
void* current_brk = sbrk(0);
printf("current heap end: %p\n", current_brk);
// 尝试将堆的大小增加 1024 字节
void* new_brk = sbrk(1024);
printf("new heap end: %p\n", new_brk);
// 尝试将堆的大小减少 512 字节
new_brk = sbrk(-512);
printf("new heap end: %p\n", new_brk);
1.3.2. 聊聊 ptmalloc
前面我们提到过，堆内存的使用并不简单，用户程序如果直接操作堆内存（调用 brk 或 sbrk 函数）会存在一些潜在问题：
- 内存泄漏：手动分配后未释放内存，导致内存占用持续增长。
- 内存碎片：频繁分配/释放不同大小内存，产生不可用的小块碎片空间。
- 线程不安全：多线程并发操作堆内存时，竞争引发数据损坏或崩溃。
- 越界访问：读写超出分配区域（如数组越界），破坏相邻数据结构。
为了更好地使用堆内存，我们需要通过 ptmalloc 来管理堆内存。
ptmalloc 是一个基于 glibc 的动态内存分配器，用于实现 malloc、free 和相关函数。
图 4：ptmalloc 简介
如图 4 所示，用户程序通过系统调用和 ptmalloc 两种方式操作的是同一块堆内存。
如果二者混用，将会破坏 ptmalloc 内存池结构，导致内存错误（非法访问）。
直接使用堆内存也存在种种弊端，所以最好的方式是通过动态内存分配器（如：ptmalloc、tcmalloc 等）来管理堆内存。
1.4. 总结
本文我们花了比较多的篇幅来讲解堆栈，相信读者们看完后一定会很有收获，有问题请评论区留言。