在 C 和 C++ 中的堆栈上创建大型本地数组的成本是多少？

Question

假设我有一个从紧密循环中调用的函数，它在一种情况下在堆栈上分配一些大型 POD 数组（无构造函数），而我动态分配数组一次并在每次迭代中重用它们。本地数组是否会增加运行时成本？

据我了解，分配本地 POD 变量归结为移动堆栈指针，因此它应该无关紧要。但是，我想到了一些可能会影响性能的事情：

• 检查堆栈溢出 - 这些检查由谁以及何时进行，多久检查一次？在某些系统上，堆栈可以自动增长，但同样，我对此知之甚少。

• 缓存注意事项：CPU 缓存是否以特殊方式处理堆栈，还是与其余数据没有区别？

• 可变参数数组与上面的有什么不同吗？比如说，对于固定大小的数组，堆栈可以以某种方式预先分配（或由编译器预先计算？），而对于可变参数数组，则涉及其他增加运行时成本的东西。同样，我不知道这是如何工作的。

Answer 1

检查堆栈溢出——通常由编译器生成的序言将遍历要使用的空间，步幅对应于页面大小。这保证了如果操作系统准备好扩展堆栈，则对保护页的访问会在任何访问发生之前触发操作系统逻辑。

缓存——堆栈没有以任何特殊方式处理，但由于用于溢出寄存器、保存返回地址等的空间的局部性，您可能会获得更多命中，这会使堆栈在缓存中变热。但是，如果您的堆栈使用量足够大，那么已经在缓存中的部分将只占很小的一部分。此外，堆栈的任何部分最近已被另一个函数使用也可能很热。

可变长度数组/具有运行时限制的数组——并没有那么不同。编译器必须事先计算所需的大小，但是触摸所有页面并调整堆栈指针不会神奇地变得更加昂贵。例外：循环接触页面的展开会受到页面数量不恒定这一事实的影响，但这不太可能产生任何影响。

请注意，有一些平台具有用于返回地址和溢出的专用单独寄存器——关于这些操作使高速缓存中的自动存储变热的注释不适用。

Answer 2

唯一的性能损失是堆栈内存尚未映射。创建虚拟到物理的映射可能需要一些时间，但仅限于您第一次使用内存时。请注意，例如，如果您使用 new 或 malloc() 或其任何变体在堆上创建了一个大型 POD 数组，并且您获得的内存页面尚未映射，则您还必须付出这个代价然而，要么。

如果堆栈溢出，堆栈溢出检查可能是SIGSEGV。堆栈是否自动增长取决于操作系统，在某些情况下，使用相关堆栈的线程，因为一个进程可以有多个线程，因此可以有多个堆栈。一般来说，进程的原始线程有一个自动增长的堆栈，直到某个限制，而由进程启动的线程有一个固定大小的堆栈。 堆栈如何增长并不像它们必须增长的事实那么重要 - 增长可能会对性能产生重大影响。

因此，通常使用堆栈内存而不是堆内存会快得多 - 只要您预先支付价格并“触摸”您需要用于堆栈的每个页面以确保它“存在”并且具有虚拟到物理的映射。但交易是堆栈内存只能由在该堆栈上运行的线程使用，并且该大小可能比堆更受限制。该线程可能允许其他线程访问其堆栈上的数据，但该线程必须保留对自己堆栈的控制权。