为什么堆内存这么慢？

为什么堆内存这么慢？

• 本文基于 YouTube 频道 Core Dumped 的视频《WHY IS THE HEAP SO SLOW?》讲解整理

程序的内存布局概览

程序运行时，内存大致分为以下几个区域：

地址由高到低
↓

+---------------------------+ ← 高地址
|         栈（Stack）        | ← 用于函数调用、局部变量，从高地址向低地址增长
|      ↓  push/pop          |
+---------------------------+
|         空闲区域           |
+---------------------------+
|         堆（Heap）         | ← 动态分配的内存，从低地址向高地址增长
|      ↑  malloc/new        |
+---------------------------+
|  全局数据段 (.data/.bss)    | ← 存放全局变量与静态变量
+---------------------------+
|       代码段 (.text)       | ← 存放程序指令
+---------------------------+ ← 低地址

为什么需要堆

栈的局限性：

• 无法存放大量数据
• 无法存放动态大小的数据结构
• 函数返回后，局部内存会被释放

堆的优势：

• 可在运行时从 OS 申请任意大小的内存（malloc/new）
• 生命周期可控，适合复杂数据结构

为什么堆很慢？

栈的分配非常快，通常只需偏移一个指针； 而堆则慢得多，原因包括：

系统调用开销大

• 堆分配涉及 brk/mmap 等系统调用
• 用户态 → 内核态切换 → 上下文切换成本高

+------------+       syscall        +------------+
| 用户程序    | ------------------>  | 操作系统内核 |
+------------+ <------------------  +------------+
         context switch (上下文切换)

复杂的内存管理逻辑

• 为避免频繁系统调用，库函数如 malloc 会向 OS 一次申请大块内存，再进行细粒度分配
• 内部分配需维护空闲链表、元数据、对齐等 → 多层逻辑 → 速度慢

堆中的分配与释放

标准 C 接口如下：

void* malloc(size_t size); // 分配内存
void  free(void* ptr);     // 释放内存

现代分配器如 glibc malloc、jemalloc 通常内部再封装内存池、分配策略等。

内存碎片问题

外部碎片 (External Fragmentation)

已分配：[]
空闲块：____

堆：[]___[]____[]
        ↑
     想申请 6 字节，但碎片不连续 → 失败

内部碎片 (Internal Fragmentation)

申请 14 字节，系统按 16 字节对齐分配 → 浪费 2 字节

堆的分配策略

策略名称	特点	优缺点
First Fit	找第一个够用的空闲块	快，但可能留下很多小碎片
Best Fit	找最接近所需大小的块	最省空闲，遍历慢，易碎片
Worst Fit	找最大的空闲块	保留大块资源，易浪费小空闲

堆内存释放的无序性与栈的区别

栈的有序释放（LIFO）

栈内存遵循后进先出（LIFO）原则：

• 新分配的数据必须先释放，旧数据后释放。
• 这种严格顺序保证栈内存连续紧凑，没有碎片。
• 分配和释放通过简单的指针移动完成，速度非常快。

堆的无序释放

堆内存分配和释放没有固定顺序：

• 多线程中，线程 A 和线程 B 分别分配和释放堆内存，释放时间不确定。
• 线程 A 先释放，线程 B 后释放，堆中留下不连续的空闲区域（“堆洞”）。
• 这些不连续的空闲空间导致内存碎片，使得连续大块内存变得稀缺。
• 结果是，堆分配器可能需要调用系统调用获取新的内存，增加开销，降低性能。

假设：

• 线程 A 分配 50KB 内存，线程 B 分配 80KB 内存。
• 线程 A 先释放，留下 50KB 空闲区；线程 B 仍占用 80KB。
• 新请求 70KB 内存时，堆中最大连续空闲区只有 50KB，无法满足需求。
• 必须触发系统调用请求更多内存，增加分配开销。

堆上的数据结构

链表 (Linked List)

struct Node {
    int value;
    Node* next;
};

          +------+     +------+     +------+
栈变量 →  | head | --> |  10  | --> |  20  | --> NULL
          +------+     +------+     +------+

优点：动态增长 缺点：数据不连续，缓存不友好

Vector (STL 描述)

         capacity = 4
         +----+----+----+----+
vector = |  1 |  2 |  3 |  ? |
         +----+----+----+----+
                    ↑
                size = 3

超出时，同步扩容，重新分配+数据拷贝，释放旧地址

堆的成本对比

对比项	栈	堆
分配速度	非常快（指针偏移）	较慢（需遍历/系统调用）
生命周期	自动（函数调用）	手动/GC（new/delete）
容量	较小	较大（可动态调整）
数据结构支持	固定/静态数组	动态结构，如 vector、list
安全风险	溢出	内存泄漏、悬置指针、碎片

总结

• 堆比栈灵活，但速度慢、碎片多、管理复杂
• 提升堆性能需降低系统调用频率、减少碎片、避免频繁分配
• 多线程和复杂结构需小心“堆洞”问题
• STL 结构、垃圾回收、定制分配器都是对堆性能的进一步优化