C语言堆、栈效率对比

本文主要探讨堆和栈在使用中的存取效率，利用宏汇编指令分析访存情况来进行简单判断。

实验环境及使用工具：i686，32位Ubuntu Linux，gcc (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3，gdb

看一小段代码：

#include  

main(){  

        char a = 1;  

        char c[] = "1234567890";  

        char *p = "1234567890";  

        a = c[1];  

        a = p[1];  

}  

 

char s1[]="hello";
char *s2="world";
s1指向的字符串属于栈，s2指向的字符串属于堆。（他们本身当然都属于栈）

栈地址空间的分配是编译链接时，而堆中的地址空间是运行时动态申请和分配的。

在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。

 

PS： 堆空间是程序运行时动态申请的，系统维护一个关于空闲区域的链表，从小到大按容量找，找到第一个符合要求(大于等于所需空间)的结点，分配之。那么删除怎 么删？怎么知道删多少？这个大小是系统记录的，不是问题，只管free()、delete()就成了。如果申请的少，不巧没有很合适的，分配多了的部分， 系统还会释放掉，免得浪费。

 

 

宏汇编指令执行过程：

Breakpoint 1, main () at efficiencyOfStorage.c:4  

4       char a = 1;  

1: x/i $pc  

=> 0x8048419 :    movb   $0x1,0x10(%esp)  

 

5        char c[] = "1234567890";  

0x804841e :   movl   $0x34333231,0x11(%esp)  

0x8048426 :   movl   $0x38373635,0x15(%esp)  

0x804842e :   movw   $0x3039,0x19(%esp)  

0x8048435 :   movb   $0x0,0x1b(%esp)  

6        char *p = "1234567890";  

0x804843a :  movl   $0x8048540,0xc(%esp)  

7        a = c[1];  

0x8048442 :  movzbl 0x12(%esp),%eax  

0x8048447 :   mov    %al,0x10(%esp)  

8        a = p[1];  

0x804844b : mov 0xc(%esp),%eax  

0x804844f : movzbl 0x1(%eax),%eax 

0x8048453 : mov %al,0x10(%esp)

10    }

0x8048457 : mov 0x1c(%esp),%edx 

0x804845b : xor %gs:0x14,%edx 

0x8048462 : je 

0x8048469  

0x8048464 : call 

0x8048320 <__stack_chk_fail@plt> 

0x8048469 : leave 

0x804846a : ret  

（根据变量声明的先后顺序可以看到，在linux栈偏移地址是增长的）

首先，它是字符数组，数字字符0-9转换成ascii码是0x30-0x39。 

 

char c[] = "1234567890";  

0x804841e :   movl   $0x34333231,0x11(%esp)  

0x8048426 :   movl   $0x38373635,0x15(%esp)  

0x804842e :   movw   $0x3039,0x19(%esp)  

0x8048435 :   movb   $0x0,0x1b(%esp)

整个数组c包括结束符应该占用11个地址空间（可以用sizeof验证），为0x11至0x1b。

小端模式，字符数组“01234567890” 从低地址0x11开始排列，到0x1b结束（结束符ascii值0x00）：  

栈中偏移地址：0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x16 0x17 0x18 0x19 0x1a 0x1b 

相应内存内容：0x31 0x32 0x33 0x34 0x35 0x36 0x37 0x38 0x39 0x30 0x00

 

6        char *p = "1234567890";  

0x804843a :  movl   $0x8048540,0xc(%esp)  

p指针直接存到栈，“1234567890”被存入堆的过程省略了。但是这个过程应该比存到栈中慢，栈中地址空间是编译链接时决定的，而堆是运行时。

 

7           a = c[1];  

0x8048442 :  movzbl 0x12(%esp),%eax  

0x8048447 :   mov    %al,0x10(%esp)  

从地址0x12取出值0x32，传给eax寄存器。

 

关于movzbl，文章底部有详解，说通俗点就是把（8位）byte长度的值0x32移到（32位）long长度的某地址存储空间中（此例为eax）寄存器了——此时eax中值0x00000032（前24位应该补0，因为“zero”，可以肯定后八位是0x32，就行了）

mov al把eax的低8位值0x32，即数字2，存到栈偏移地址0x10（即变量a的地址）。赋值完成

如果这些简单汇编看不懂，还感兴趣，请移步我的通俗的汇编贴

 

8          a = p[1];  

0x804844b : mov 0xc(%esp),%eax  

0x804844f : movzbl 0x1(%eax),%eax  

0x8048453 : mov %al,0x10(%esp)    

将栈偏移地址0xc中储存的指针p(内容为指向的堆的地址)移到eax寄存器中。  

第二句较难：

从eax中取出指针，偏移1，读取字符串中第二个字符’2’,把该（八位）地址对应的值（0x32，即数字2）存到栈偏移地址0x10（即变量a的地址）。

将eax寄存器中低8位，即0x32，传给栈偏移地址0x10中，即为给a赋值。

赋值完成

 

 

结论：可以明显看出，前者直接有目的地从栈中读取数据到寄存器eax中，后者则要先把指针值读出来，再通过指针去找需要的地址的值，根据我们关于计算机组成原理的常识，多了一次访问内存，显然效率低了。

 

附： 

文中所谓“栈偏移地址0x10”之类，非绝对地址，皆指偏移地址，%esp是一个固定位置，偏移多少就是固定位置加多少偏移量。

=> 0x8048456 :  movl   $0x38373635,0x25(%esp)

(gdb) print $esp

$2 = (void *) 0xbffff230

(gdb) si

0x0804845e 5      char c[] = "1234567890";

=> 0x804845e :  movw   $0x3039,0x29(%esp)

(gdb) print $esp

$3 = (void *) 0xbffff230

0x08048465 5      char c[] = "1234567890";

=> 0x8048465 :  movb   $0x0,0x2b(%esp)

(gdb) print $esp

$4 = (void *) 0xbffff230

 

 

movzbl：

在AT&T语法中，符号扩展和零扩展指令的格式为，基本部分"movs"和"movz"（对应Intel语法的为movsx和movzx，movzx为零扩展，即高位补零，movsx为符号扩展，即高位补符号位）

后 面跟上源操作数长度和目的操作数长度。movsbl意味着movs （from）byte （to）long；movbw意味着 movs （from）byte （to）word；movswl意味着movs （from）word （to）long。对于movz指令也一样。比 如指令“movsbl   %al, %edx”意味着将al寄存器的内容进行符号扩展后放置到edx寄存器中。

movzx是将源操作数的内容拷贝到目的操作数，并将该值0扩展至16位或者32位。但是它只适用于无符号整数。

 他大致分为下面的三种格式：

movzx 32位通用寄存器,8位通用寄存器/内存单元

movzx 32位通用寄存器,16位通用寄存器/内存单元

movzx 16位通用寄存器, 8位通用寄存器/内存单元