Что такое куча и стек? Различия, принцип работы.csharp-78

В .NET управление памятью осуществляется через два основных сегмента: стек (stack) и кучу (heap). Они принципиально отличаются по структуре, скорости работы и способам управления памятью.

1. Стек

Характеристики:

• Быстрый доступ: выделение и освобождение памяти происходит за O(1).
• LIFO (Last In, First Out): данные кладутся и забираются только с вершины стека.
• Ограниченный размер: обычно 1-8 МБ (зависит от ОС и настроек).
• Автоматическое управление: память освобождается при выходе из метода.

Что хранится в стеке?

• Локальные переменные методов (value types, если они не в ссылочных типах).
• Аргументы методов.
• Информация о вызовах методов (call stack).

void Calculate() {
    int a = 5; // Хранится в стеке
    double b = 3.14; // Тоже в стеке
}

2. Куча

Характеристики:

• Динамическое выделение: размер ограничен только объемом доступной памяти.
• Медленнее стека: требуется поиск свободного блока памяти.
• Управляется GC: сборщик мусора освобождает неиспользуемые объекты.
• Фрагментация: возможна из-за динамического выделения/освобождения.

Что хранится в куче?

• Объекты ссылочных типов (class, string, массивы).
• Value types, упакованные в object (boxing).

class Person {
    public int Age; // Хранится в куче (в составе объекта)
}

void CreatePerson() {
    Person p = new Person(); // Сам объект - в куче, ссылка `p` - в стеке
}

Ключевые различия

Характеристика	Стек	Куча
Скорость	Очень быстрый	Медленнее
Управление памятью	Автоматическое (LIFO)	Управляется GC
Размер	Ограничен	Динамический
Типы данных	Value types, ссылки	Объекты ссылочных типов
Потокобезопасность	Только для одного потока	Доступна для всех потоков

Пример с упаковкой

int x = 42; // В стеке
object obj = x; // Упаковка: значение копируется в кучу

Оптимизации .NET

• Стек потока (Thread Stack): у каждого потока свой стек.
• Малые объекты в куче размещаются в SOH (Small Object Heap), большие — в LOH (Large Object Heap).
• Gen 0, Gen 1, Gen 2: поколения в куче для оптимизации работы GC.

Когда что использовать?

• Стек: для временных данных, небольших структур, где важна скорость.
• Куча: для сложных объектов, которые должны жить дольше метода.

Резюмируем:

стек и куча — это фундаментальные механизмы управления памятью в .NET. Стек быстр, но ограничен, куча гибкая, но требует работы GC. Понимание их различий критично для написания эффективного и безопасного кода.