Skip to main content
3 de 17
adicionou 1318 caracteres ao conteúdo
Maniero
  • 484,4mil
  • 94
  • 1,3mil
  • 2,2mil

Um stack ou pilha, neste contexto, é uma forma otimizada para organizar dados na memória alocados em sequência e abandonados (sim, normalmente não há desalocação) em sequência invertida a da entrada.

pilha

Um heap ou monte (ok, ninguém traduz isso) é a organização de memória mais flexível que permite o uso de qualquer área lógica disponível.

heap

Existem alguns conceitos de pilha muito difundidos em computação, para citar alguns:

  • Existe a pilha de execução de alguma arquitetura onde as instruções e dados vão sendo empilhados e após executar algo ali, ocorre o desempilhamento.
  • Existe a pilha de chamadas de funções, que se confunde com o gerenciamento de memória, onde as funções vão sendo chamadas e empilhadas e quando sua execução termina, ela sai da pilha.
  • Existe a estrutura de dados genérica que empilha dados diversos. Exemplo em C#.

Os dois conceitos da pergunta são abstratos. Não existe fisicamente uma área da memória específica para o stack (e muito menos sua área é fisicamente empilhada) e não existe uma área reservada para o heap, pelo contrário, ele costuma ser bastante fragmentado. Usamos o conceito para entender melhor o funcionamento e suas implicações, principalmente no caso da pilha.

A maioria das arquiteturas de computadores modernos e populares não tem grandes facilidades para manipular esse stack de memória (costuma ter só o registrador de ponteiro de pilha), assim como o heap, apesar que neste caso, instruções que ajudam manipular memória virtual de uma certa forma ajudam a organizar o heap.

Já o sistema operacional está bem ciente destes conceitos e é fundamental que eles possuam alguma forma, mesmo que limitada, para manipular a memória das aplicações. Principalmente nos sistemas modernos e de utilidade geral. Os sistemas modernos possuem um gerenciamento complexo através do que se convencionou chamar de memória virtual que também é um conceito abstrato, muitas vezes mal compreendido.

Em assembly ou C é muito comum ter contato com esse gerenciamento de memória. Em assembly é comum manipular o stack quase diretamente e em ambas linguagens pelo menos a alocação e desalocação do heap devem ser feitas manualmente através da API do sistema operacional. Em C o stack é gerenciado pelo compilador, salvo alguma operação incomum que seja necessária.

Nada impede que se use alguma biblioteca que abstraia essa manipulação, mas isso só é comum em linguagens de mais alto nível. De fato é muito comum que outras linguagens usem internamente a API do OS para fazer o gerenciamento pesado da memória mas o acesso da memória no "varejo" é feito por um gerenciador próprio, em geral chamado de garbage collector através de técnicas de contagem de referências para um objeto no heap (há quem considere que isto não é uma técnica de garbage collector) ou de verificação posterior se há referências para o objeto no heap. Mesmo usando uma biblioteca mais abstrata, os conceitos permanecem.

Em condições normais, o stack é alocado no início da aplicação, mais precisamente no início da thread, mesmo que a aplicação só tenha a thread principal. O stack é uma porção contígua de memória reservada para empilhar os dados necessários durante a execução de blocos de código. Cada necessidade de alocação, é um trecho do stack que vai sendo usado sempre em sequência determinado por um marcador, ou seja, um apontador, um ponteiro, se "movimenta" para indicar que uma nova parte na sequência desta porção reservada está comprometida. Quando algo alocado não é mais necessário, este marcador se movimenta em direção contrária a sequência de dados indicando que alguns desses dados podem ser descartados (sobrepostos com novos dados). A alocação de cada trecho da memória não existe no stack, é apenas o movimento deste ponteiro indicando que aquela área será usada por algum dado. A grosso modo podemos dizer que a aplicação tem total controle sobre o *stack, exceto quando acaba o espaço disponível nele.

Existem recursos para alterar manualmente o tamanho do stack, mas isso é incomum.

A pilha funciona usado uma forma LIFO (Last in First Out) ou UEPS (Último a entrar, primeiro a sair).

O escopo de uma variável costuma definir o tempo de alocação no stack. Os dados usados como parâmetros e retorno de funções são alocados no stack. Por isso a pilha de chamadas de função se confunde com a pilha da memória. Podemos dizer que os parâmetros são as primeiras variáveis de uma função alocadas no stack. O acesso aos dados no stack costuma ser feito de forma direta.

alocação stack

Assim como no heap, não é possível alocar dados no stack antes de saber seu tamanho (não precisa saber na hora de compilar, mas sim na hora de executar a alocação). Mas se o tamanho for indeterminado em tempo de compilação ou pode ser determinado como possivelmente grande (talvez poucas dezenas de bytes), provavelmente a alocação deve ocorrer no heap. Linguagens de alto nível pré-determinam isto. Outras deixam o programador ter mais controle, podendo até mesmo abusar do stack se for útil e ele souber o que está fazendo.

O famoso stack overflow ocorre quando você tenta alocar algo no stack e não há espaço reservado disponível. Também pode haver overflow de uma dado em cima de outro que venha a seguir na pilha.

Também existe uma pilha de chamadas que é onde são armazenados os endereços para onde o ponteiro da pilha deve retornar quando termina a execução de uma função. Execuções recursivas descontroladas causam stack overflow.

Deu para entender que cada thread tem seu próprio stack, certo? E o tamanho do stack de cada thread criada pode ter seu tamanho definido antes da criação. Um valor default costuma ser usado.

O stack é considerado uma forma estática de alocação. Embora tecnicamente exista outra área da memória que realmente seja estática, que seja alocada antes do início da execução. A área efetivamente estática não pode ser manipulada, não pode ser escrita (pelo menos não deveria poder). O stack em si é estático, apesar de que seus dados não sejam, afinal eles vão sendo colocados e abandonados conforme o seu uso.

O heap, ao contrário do stack não impõe um modelo, um padrão de alocação de memória. Isso não é muito eficiente mas é bastante flexível. O heap é considerado dinâmico. Em geral você aloca ou desaloca pequenos trechos de memória, só para a necessidade do dado. Esta alocação pode ocorrer fisicamente em qualquer parte livre da memória. O gerenciamento de memória virtual do sistema operacional, auxiliado por instruções do processador, ajudam a organizar isto.

Efetivamente estas alocações reais costumam ocorrer em blocos de tamanho fixo chamados de páginas. Isso evita a aplicação fazer dezenas ou centenas de pequenas alocações que fragmentaria a memória de forma extrema.

A desalocação do heap costuma acontecer:

  • manualmente (correndo o risco de bugs), embora isto não esteja disponível para algumas linguagens;
  • através do tal garbage collector que identifica quando uma parte do heap não é mais necessária;
  • quando uma aplicação se encerra.

Até existem linguagens que possuem heaps especializados que podem ter um comportamento um pouco diferente, mas vamos simplificar para os casso comuns.

Fica claro que o heap não é uma área da memória. Mesmo conceituando abstratamente, ele é um conjunto de pequenas áreas da memória. Fisicamente ele costuma ser fragmentado por toda a memória. Essas partes são muito flexíveis no tamanho e tempo de vida.

A alocação no heap "custa" caro. Muitas tarefas devem ser realizados pelo sistema operacional para garantir a perfeita alocação de uma área para um trecho dele, principalmente em ambientes concorrentes, muito comuns hoje em dia. Desalocar, ou disponibilizar de volta uma área também tem seu custo.

Até existem formas de evitar as chamadas ao sistema operacional para cada alocação necessária, mas ainda assim o "custo" de processamento disto é considerado alto. Manter listas (em geral ligadas) de áreas ou páginas alocadas não é algo trivial para o processador, pelo menos comparando com o movimento do ponteiro que é necessário no stack.

alocação heap

O heap é acessado através de ponteiros. Mesmo em linguagens que não exista o conceito de ponteiros disponíveis para o programador, isto é realizado internamente.

exemplo de alocação geral

Note que no exemplo, um objeto do tipo class1 é alocado no heap. Mas há uma referência para este objeto, que é alocada no stack. Esta alocação é necessária porque o tamanho do objeto pode ser muito grande para caber no stack (ou pelo menos ocupar uma parte considerável), e porque ele pode sobreviver por mais tempo do que a função que criou ele. Se estivesse no stack a única forma de mantê-lo "vivo" seria copiando para a função chamadora, e assim sucessivamente para todas as outras, onde ele seja necessário. Imagine como isso sai "caro". Da forma como é organizado, só a referência, que é curta, é que precisa ser copiada.

Por razões de segurança é bom saber que desalocar é um conceito abstrato também. Costuma ser possível acessar dados de uma aplicação mesmo depois que ela tenha terminado. O conteúdo só é apagado por pedido manual ou quando uma área disponível seja escrita novamente.

Então o runtime de uma linguagem de programação se comunica com o OS para gerenciar a memória. Se esse runtime é exposto para o programador depende do objetivo da linguagem. Em linguagens chamadas "gerenciadas", tudo isso ocorre, os dois conceitos existem e precisam ser entendidos, mas você não tem que manipular manualmente o heap. Ele passa ser tão transparente quanto o stack é em outras linguagens mais baixo nível (exceto assembly).

A alocação de ambos costumam ser alocados em RAM, mas nada impede que seja alocado em outro local. A memória virtual pode colocar todo ou parte do stack ou do heap em memória de massa, por exemplo.

"Roubei" as imagens desta resposta do SO que são muito boas para ilustrar tudo isso.

Maniero
  • 484,4mil
  • 94
  • 1,3mil
  • 2,2mil