CPU眼里的：堆和栈 _堆和栈

“Heap和Stack是程序运行的幕后英雄，但如果它一直是“无名英雄”的话，也会成为程序员的“隐形杀手”，让我们用CPU的眼睛，把它们看个清清楚楚”

01
提出问题
本系列，前面的文章中，我们提及了很多次：函数“堆栈”（stack），可以说没有“堆栈”这种特殊的数据结构，就没有函数调用。
阿布也特别喜欢“堆栈”这个翻译，因为它形象的描述了“堆栈”的堆叠结构，很好的展示了该数据结构的特点。
但为了避免跟本章节讨论的另一个数据结构“堆”（heap）混淆，在本章节，我们一律将“堆栈”（stack）简称为“栈” 。
其实，“堆”(heap)和“栈”(stack)并不是一个陌生的话题，相反，它们在编程实践中，经常被程序员提及。因为，不管你是否意识到它们的真实存在，你都在使用它们。因为它们如此重要，所以为了正确的区分、使用它们，很多同学都对它们的规则、特性，倒背如流。
这里我们将尝试用CPU的视角，重新认识一下“堆”和“栈” 。希望能减轻一点记忆的痛苦，并给你带来一些不同的启发。
注意：我们这里说的堆和“栈”，是指程序运行所必备的“堆”和“栈” 。不是由程序员自己编写的“堆”或“栈”的数据结构，虽然二者的原理相同，但使用场景并不一致。

02
“栈”的分析
好了，一切从程序的运行开始，我们编写一个世界上最简单的代码：
int mAIn(){//thread A}经过编译器编译后，生成的可执行程序是a.out，随后我们双击运行。
在操作系统将a.out中唯一的函数main，加载到内存后；尽管我们没有定义任何变量、也没有进行任何函数调用，无论我们的程序需要与否，操作系统都会附送一段内存块给我们：

文章插图

这就是“栈” 。当然这个内存块不大，有几十KB的，也有几MB、几十MB的。具体大小，一般由操作系统决定。
视频“CPU眼里的：函数调用”告诉我们：这个“栈”，未来将承载着记录：函数返回地址、提供临时变量的内存空间等职责。所以，只要我们使用函数，这个“栈”就必须存在，它是函数运行的前提。
如果此时，我们又创建了一个线程B，会发生什么事情呢？

文章插图

如你所见，我们也需要为线程B提供一个类似main函数的起始运行函数thread_main 。
所以，为了保证线程B可以顺利的使用函数，操作系统也会为线程B准备一个同等大小的内存块，用来作为线程B的“栈” 。从此之后，主线程A和线程B就可以独立运行了。
如果再增加一下难度，让线程A和线程B，同时调用函数func：

文章插图

那函数func在执行完后，它怎么知道要返回到函数main，还是返回到函数thread_main呢？
其实它们的返回地址，分别存储在线程A和线程B的“栈”里面。所以，它们不会相互干扰，这样，线程A调用完函数func后，会根据自己“栈”中的信息，返回到函数main；线程B调用完函数func后，则会返回到函数thread_main 。
那会不会因为线程A、线程B，对函数func的调用顺序不同，而导致函数func的返回值不同呢？

文章插图

如你所见，尽管线程A和线程B，运行的都是同一个函数func的代码。但函数func里面的变量a，却分别保存在线程A和线程B的“栈”里面，它们是完全独立的，不会相互干扰，所以，函数func返回时，变量a的值一定是：1 。当然，如果变量a是static的，那就另当别论了。
总的来说，“栈”在使用起来，往往是自动、无感、高效的。每次的函数调用、分配临时变量，都是在申请“栈”内存；每次函数返回，则是在释放“栈”内存。