在Linux中，堆栈内存是物理上连续的吗？

Question

据我所知，栈内存在虚拟内存地址中是连续的，但物理上的栈内存也是连续的吗？这是否与栈大小限制有关？

编辑：我曾经认为栈内存不必在物理上是连续的，但我们为什么认为栈内存总是比堆内存快呢？如果它在物理上不是连续的，那么栈如何更好地利用缓存？还有一件事情总是让我感到困惑，CPU在数据段中执行指令，而数据段在虚拟内存中并不靠近栈段，我不认为操作系统会使栈段和数据段在物理上靠得很近，因此这可能会损害缓存效果，你怎么看？

再次编辑：也许我应该举个例子来更好地表达自己，如果我们想要对大量数字进行排序，使用数组来存储数字比使用链表更好，因为每个链表节点都可能由malloc构造，所以它可能无法充分利用缓存，这就是我说栈内存比堆内存更快的原因。

- cong

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我们有虚拟内存，不必关心物理内存布局。如果你不是在编写内核或驱动程序（或设计硬件，或设计攻击缓存），就不要考虑物理内存。 - Giacomo Catenazzi

不是的 - 进程/线程堆栈可以像任何其他虚拟内存一样进行分页。用于中断处理的内核堆栈必须是非分页的。 - Martin James

可能是以下问题的重复：堆栈内存是否连续？，虚拟连续与物理连续内存，用户空间中的连续物理内存等。 - jww

@MartinJames 我已经编辑了我的问题以展示我的真正困惑，如果你有答案，请在下面发布你的答案或添加评论，非常感谢。 - cong

在大多数架构上，堆栈可以通过简单的算术指令进行扩展或缩小。malloc是调用需要记录内存区域并最终分配新页面的函数。这很费钱。简而言之，堆栈是一种更为限制性的数据结构。缓存与此关系不大，堆栈顶部几乎总是在缓存中非常热门，因为它被非常频繁地使用，但很容易构建一个将其从缓存中清除的函数。 - Margaret Bloom

Answer 1

据我所知，堆栈内存在虚拟内存地址中是连续的，但物理上并不一定连续。这与堆栈大小限制无关，而与操作系统如何管理内存有关。操作系统只有在第一次访问相应的虚拟页面时（或自从它被分页到磁盘以来的第一次访问），才分配物理页面。这被称为需求分页，有助于节省内存使用。

我们为什么认为堆栈内存总是比堆内存快？如果它不是物理上连续的，那么堆栈怎么能更好地利用缓存呢？这与缓存无关。从堆栈中分配和释放内存只需要一条指令（增加或减少堆栈指针），因此比从堆中分配和/或释放内存要快得多。现在，一旦内存被分配（从堆或堆栈中），访问该分配的内存区域所需的时间并不取决于它是堆栈还是堆内存，而取决于内存访问行为以及是否友好于缓存和内存架构。请参见此文章获取更多信息。

如果我们想要对大量数字进行排序，使用数组存储数字比使用链表更好，因为每个链表节点可能是由malloc构建的，所以它可能无法充分利用缓存，这就是我说栈内存比堆内存更快的原因。

使用数组更快的原因不在于数组是从堆栈分配的。数组可以从任何内存（堆栈、堆或任何地方）中分配。它更快是因为通常一个接一个地连续访问数组元素。当第一个元素被访问时，包含该元素和其他元素的整个缓存行从内存中获取到L1缓存。因此，访问该缓存行中的其他元素可以非常有效地完成，但访问该缓存行中的第一个元素仍然很慢（除非该缓存行被预取）。这是关键部分：由于缓存行是64字节对齐的，并且虚拟和物理页面也是64字节对齐的，因此可保证任何缓存行完全驻留在单个虚拟页和单个物理页中。这就是使提取缓存行高效的原因。同样，所有这些都与数组是从堆栈还是堆中分配无关。不管哪种方式，都是适用的。

另一方面，由于链表的元素通常不连续（甚至在虚拟地址空间中也不是连续的），因此包含元素的缓存行可能不包含任何其他元素。因此，提取每个单独的元素可能更加昂贵。

- Hadi Brais

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还有一个问题：为什么在Linux中堆栈内存被限制在大约8M？ - cong

为了使堆栈溢出仅崩溃有问题的应用程序，而不会消耗系统的所有内存，从而可能导致整个系统崩溃。通常，不希望应用程序同时从堆栈中分配大量内存。大型对象应该从堆中分配。 - Hadi Brais

Answer 2

记忆是记忆，堆栈内存并不比堆内存更快，也不比堆内存更慢。它们都是一样的。唯一使内存成为堆或者栈的原因是应用程序如何进行分配。完全可以在堆上分配内存并将其作为程序堆栈使用。

速度差异在于分配方式。栈内存是通过减去栈指针来进行分配的：只需一个指令。

堆的分配过程取决于堆管理器，但它要复杂得多，可能需要将页面映射到地址空间中。

- user3344003

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1. 或许我应该举个例子来更好地表达自己，如果我们想要对大量数字进行排序，使用数组存储数字比使用列表更好，因为每个列表节点可能是由malloc构造的，所以它可能无法充分利用缓存，这就是为什么我说栈内存比堆内存更快的原因。
2. “它要复杂得多，可能需要将页面映射到地址空间”，所以对于栈来说，我认为栈内存必须在页表中有条目，那么何时会将页面映射到栈内存的地址空间中呢？

- cong

当你开始试图猜测缓存时，编程就变得困难了。内存就是内存，所以CPU中的缓存管理器甚至无法区分堆和缓存之间的差异。 - user3344003

Answer 3

不，物理地址之间没有保证相邻的承诺。但这并不重要，因为用户空间程序不使用物理地址，所以不知道这是怎么回事。

- John Zwinck

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我已经编辑了我的问题以展示我的真正困惑，如果您得到了答案，请更新您的答案，非常感谢。 - cong

@cong：一个L1缓存行通常是64字节，但单个VM页面通常是4096字节。因此，认为堆栈性能会因物理内存连续性而增加的想法是站不住脚的，因为在一个缓存行的级别上，内存始终是物理连续的。我认为你的大多数新问题可以回答为“不，它不是这样工作的”，你需要开始阅读关于现代处理器中缓存如何工作的内容。 - John Zwinck

那么，为什么我们总是说堆栈内存比堆内存更快？我认为这一定与高速缓存有关，是否因为堆内存在物理上不是连续的？ - cong

我知道堆和栈的内存访问本质相同，我可以举个例子更好地表达自己。如果我们想要对大量数据进行排序，使用数组来存储数据比使用链表更好，因为每个链表节点可能是通过malloc构造的，所以它可能无法充分利用缓存，这就是为什么我说栈内存比堆内存更快的原因。 - cong

@cong：在使用上，堆内存并不比栈内存更快。只有在分配方面才更快。在栈上分配只需要增加栈指针。而在堆上分配，在最坏的情况下需要进行系统调用（sbrk或mmap）。 - John Zwinck

Answer 4

这是一个复杂的主题。

堆和栈通常具有相同的内存和内存类型（MTRR，每个页面的缓存设置等）。[mmap、文件、驱动程序可能具有不同的策略，或者当用户明确更改时]。

栈可能更快，因为它经常被使用。当调用函数时，参数和局部变量被放入栈中，因此缓存是新鲜的。此外，由于函数经常调用和返回，很可能在其他缓存级别中有一些更多的栈，并且很少将栈顶分页（因为它最近被使用）。

所以，缓存可能更快，但只有在您拥有少量变量的情况下才是如此。如果允许在堆栈上使用大型数组，例如使用 alloca，则优势会消失。

总的来说，这是一个非常复杂的话题，最好不要过度优化，因为这可能会导致复杂的代码，从而更难重构和高级优化代码。（例如，在多维数组上，索引（和因此内存）的顺序和循环可以明显改善速度，但也很快代码将变得难以维护）。

- Giacomo Catenazzi