使用堆内存为什么比栈内存慢很多很多？申请堆内存需要经过操作系统吗？

[LeeReamond]

如题，做了一个 C 语言小实验，我分别进行了两个操作，

其一是在堆上申请一个长度为一亿的向量，用来储存 double 类型的数据（包含初始化，全部为 0 ）

其二是在一个一万次的循环里重复创建长度为一万的数组，类型同样为 double，同样初始化为 0

理论上两者都涉及到 cpu 在内存上填入一亿个 0，但后者的速度比前者要快 30 多倍。这让我想到一个问题，就是传统都认为堆比较慢，而慢产生的原因是什么，堆和栈都是普通内存，理论上应并无硬件层面的区别。难道程序申请堆内存都必须要经过操作系统才导致速度变慢吗？但是感觉又跟传统经验不符，毕竟经过操作系统是一个非常昂贵的操作，总不可能程序内部所有动态特性都要经过操作系统吧。

不过不经过操作系统的话，又为什么会慢这么多呢？

[BrettD]

申请堆内存走 malloc 啊

[Glauben]

印象中是缓存位置不同，栈是一级缓存，堆是二级缓存，两者速度天差地别

[12101111]

可以看一下 malloc 都干了什么 https://github.com/microsoft/mimalloc

[lsylsy2]

其二是在一个一万次的循环里重复创建长度为一万的数组，类型同样为 double，同样初始化为 0

确认是一万个独立的数组吗？听起来有可能循环每次结束，数组都被释放了，所以你实际是反复写了同一个数组一万次。那么缓存等等差距就很显然了。

[Justin13]

好像栈的开辟是无脑的，不用寻址，地址直接偏移就好，而堆必须扫描找到一个合适的位置。这就费时间了

[dalabenba]

不是因为堆和栈的问题，他们速度是一样的。是因为 cache,和 pagefault,第一个程序每个都是第一次访问，每个页面都会触发 pagefault，以及 cache miss 会比访问同一段地址高，第二因为在栈上没有 pagefault 的问题，而且放在栈上的话每次循环的地址相同，cache hit 率高

[LeeReamond]

@lsylsy2 显然是被释放了，栈空间有限怎么可能让你无限写下去。不过这个纯写入操作，缓存影响不大吧

[dalabenba]

@dalabenba 说叉了，栈上内存不会 pagefault 原因是实际访问的都是同一段，最多只要 pagefault 一次就好

[LeeReamond]

@Justin13 堆内存逻辑上是连续的，应该只用扫描一次，感觉不是影响的主要原因

[LeeReamond]

@12101111 看不懂啊大佬

[LeeReamond]

@dalabenba 大佬，他这个 malloc 需要经过系统吗？学 io 的时候都说最好不要经过系统，开销大。这个 malloc 如果需要经过系统的话，那么系统必然也要经过用户态切换内核态，从 ring3 切换到 ring0 才能操作堆内存吧。如果是这样的话感觉应用程序不应该这么快啊，比如 java 当中也有大量的动态特性，如果全都需要经过操作系统的话开销不是非常大？

[ho121]

首先需要了解进程的内存结构 https://www.geeksforgeeks.org/memory-layout-of-c-program/

然后了解一下在栈中申请内存的过程 https://stackoverflow.com/a/8629324/1968839

然后了解一下 malloc 是怎么工作的
https://stackoverflow.com/a/3479496/1968839

[Whurry]

首先是栈空间能这么大吗？栈里应该存不下这些数据。

第二点是进程向操作空间申请内存空间时，一般是先虚拟内存给安排上，访问的时候发现没有对应的物理地址，触发 pagefault，然后才给虚拟地址安排上对应的物理地址。一个页一般是 4KB 。

不确定对不对，仅供参考

[LeeReamond]

@ho121 感谢，看完了。另外我觉得这些回答写的不对，我又做了个小实验，在一百万次 for 循环里，每次循环新建一块被 malloc 的内存（该内存长度为 2 个 double，所以不会产生过大的问题），统计执行时间一百万次仅为 200ns，如果按照文章中说 malloc 都需要经过系统调用的话，传统一般认为系统调用最短也是百纳秒这个数量级的，怎么可能这么快呢。

[misaka19000]

在栈上面只需要移动栈指针就可以

在堆上面有一大堆乱七八糟的操作，而且申请堆要走系统调用的

[love]

代码不放出来看看？

分配机制不一样，栈上肯定不能申请这么大的内存量，栈大小很小的，否则你总听说过 stack overflow 这个词

[ho121]

@LeeReamond 程序中 malloc 一次一个小的内存，比如 8 字节，实际 malloc 在背后不会老老实实的真的向系统只申请 8 字节，大部分情况下会一次申请较大的内存，以供后面使用。malloc 只有向系统申请内存时，才会用到系统调用

[dalabenba]

@LeeReamond malloc 是 libc 实现的不是系统调用，底层系统调用的接口是 mmap 或者 brk 。一般 malloc 会预先分配一的内存块，然后把内存块分割，加入到自己的内存池中。当 malloc 自己的内存池中没有足够的内存时候，才用系统调用会从系统中拿。pagefault 会发生在系统调用后拿到内存后，第一次写或者读。所以刚刚说得还不够严谨，要是内存是从内存池中拿，且已经访问过了，而不是系统调用新分配的话，是不会发生 pagefault 的

[ho121]

@LeeReamond 比如这里有介绍 https://medium.com/@andrestc/implementing-malloc-and-free-ba7e7704a473 sbrk 是 Linux 中的，Windows 系统中应该也有对应的 api

[LeeReamond]

@love 请参考四楼和七楼，现在是手机操作暂时没法放代码，不过本身逻辑比较简单，我发帖时觉得没有必要放