Linux C存取效率对比——堆、栈、常量区

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

首先，引用一道题的代码和“答案”，这是“比较堆和栈存取效率”的，但是事实上，他给的两种方式都用的栈，个人试出来的占用堆空间的情况，只能是malloc()和new()等系统调用产生的。

#include<stdio.h>  

main(){  

        char a = 1;  

        char c[] = "1234567890";  

        char *p = "1234567890";  

        a = c[1];  

        a = p[1];  

} 

“答案”：存取效率的比较

chars1[]="aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2="bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；
而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；

主要疑问是，两者都在栈中存储，确定"aaa...."是运行时刻赋值的么？栈中是运行时“赋值”么。

那么，既然看到了这段代码，还是对比一下吧，可以先比较一下以“数组”和"指针"(后边会解释具体含义)形式初始化的两段字符串的存取效率。

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 <main+21>:    movb   $0x1,0x10(%esp)  

 

5        char c[] = "1234567890";  

0x804841e <main+26>:   movl   $0x34333231,0x11(%esp)  

0x8048426 <main+34>:   movl   $0x38373635,0x15(%esp)  

0x804842e <main+42>:   movw   $0x3039,0x19(%esp)  

0x8048435 <main+49>:   movb   $0x0,0x1b(%esp)  

6        char *p = "1234567890";  

0x804843a <main+54>:  movl   $0x8048540,0xc(%esp)  

7        a = c[1];  

0x8048442 <main+62>:  movzbl 0x12(%esp),%eax  

0x8048447 <main+67>:   mov    %al,0x10(%esp)  

8        a = p[1];  

0x804844b <main+71>: mov 0xc(%esp),%eax  

0x804844f <main+75>: movzbl 0x1(%eax),%eax 

0x8048453 <main+79>: mov %al,0x10(%esp)

10    }

0x8048457 <main+83>: mov 0x1c(%esp),%edx 

0x804845b <main+87>: xor %gs:0x14,%edx 

0x8048462 <main+94>: je 

0x8048469 <main+101> 

0x8048464 <main+96>: call 

0x8048320 <__stack_chk_fail@plt> 

0x8048469 <main+101>: leave 

0x804846a <main+102>: 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 <main+26>:   movl   $0x34333231,0x11(%esp)  

0x8048426 <main+34>:   movl   $0x38373635,0x15(%esp)  

0x804842e <main+42>:   movw   $0x3039,0x19(%esp)  

0x8048435 <main+49>:   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

PS：尽管第三次只压入word长的数据（两字节），但还是单独用了一行指令压大小为byte的结束符。

 

6        char *p = "1234567890";  

0x804843a <main+54>:  movl   $0x8048540,0xc(%esp)  

p指针本身肯定在栈，直接让p指针指向字符串常量的地址（0x8048540），“1234567890”被存入该地址的过程被省略了，自动的。

 

7           a = c[1];  

0x8048442 <main+62>:  movzbl 0x12(%esp),%eax  

0x8048447 <main+67>:   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 <main+71>: mov 0xc(%esp),%eax  

0x804844f <main+75>: movzbl 0x1(%eax),%eax  

0x8048453 <main+79>: mov %al,0x10(%esp)    

将栈偏移地址0xc中储存的指针p(内容为指向的地址)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，再通过指针加偏移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。

可以看到的是，两个字符串在读取的时候同样是用数组下标的操作形式，所以和操作方式无关？

感觉不够严谨，也测试了用指针的操作形式，如下（多次测试，和上边过程变量地址恐有变化，原理相同即可）：

11        a = *(c + 1);
1: x/i $pc
=> 0x8048487 <main+83>:    lea    0x21(%esp),%eax
(gdb)
0x0804848b    11        a = *(c + 1);
1: x/i $pc
=> 0x804848b <main+87>:    movzbl 0x1(%eax),%eax
(gdb)
0x0804848f    11        a = *(c + 1);
1: x/i $pc
=> 0x804848f <main+91>:    mov    %al,0x20(%esp)

取出C的地址

取出——C的地址+1偏移量所指向的——值

将该值传递给变量a

(gdb)
12        a = *(p + 1);
1: x/i $pc
=> 0x8048493 <main+95>:    mov    0x1c(%esp),%eax
(gdb)
0x08048497    12        a = *(p + 1);
1: x/i $pc
=> 0x8048497 <main+99>:    movzbl 0x1(%eax),%eax
(gdb)
0x0804849b    12        a = *(p + 1);
1: x/i $pc
=> 0x804849b <main+103>:    mov    %al,0x20(%esp)

取出p指向的“字符串常量”的首地址

取出——p指向的“字符串常量”的首地址+1偏移量所指向的——值

将该值传递给变量a

两者唯一区别就是指令lea和mov，原因就是p指向的是“常量区”，只需要p的内容（即目标地址）即可，而c，要取自身的地址。

 

PS：没有对比堆空间的存取问题，因为涉及系统调用，指令非常多，过程非常慢。堆比栈存取慢很多是显然的了

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 <main+34>:  movl   $0x38373635,0x25(%esp)

(gdb) print $esp

$2 = (void *) 0xbffff230

(gdb) si

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

=> 0x804845e <main+42>:  movw   $0x3039,0x29(%esp)

(gdb) print $esp

$3 = (void *) 0xbffff230

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

=> 0x8048465 <main+49>:  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 

 

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。

那么也不一定就全用链表，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈,而是直接在进程的地址空间中保留一块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。

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。