Gerenciamento de memória no C#: stack, heap, value-types e reference-types

Opa pessoal, tudo certinho?

Neste post, eu vou abordar uma dúvida que aparece com uma certa frequência em nosso suporte: o que são, afinal de contas, as benditas memórias stack e heap? O que são afinal de contas os value-types e os reference-types?

Para entendermos melhor estes conceitos, precisamos também verificar um pouco sobre a criação de objetos e de variáveis primitivas, assim como os conceitos de value-types e reference-types… Então, vamos lá! o/

O compilador, de maneira geral, divide a memória em duas grandes áreas: a stack (uma área bem menor) e a heap (uma área bem maior). Seria algo simiar à ilustração abaixo:

Áreas de memória - compilador .NET

Na configuração padrão do .NET Framework, para que você tenha uma idéia melhor de como a stack é muito menor que a heap, o tamanho padrão para a memória stack é de apenas 1MB!

Ambas trabalham como pilhas, porém, a maneira como cada uma provê acesso a seu conteúdo é diferente. A stack é bem mais eficiente para localizar as coisas em seu interior com relação a heap, mesmo porque ela é bem menor.

As variáveis de alguns tipos de dados leves (tipos primitivos – int, double, bool etc. – e structs) são armazenadas diretamente na stack, a área menor e mais eficiente para localização dos conteúdos. Elas ficam diretamente nessa área justamente por serem tipos de dados que não ocupam tanto espaço na memória. O mais interessante é que o valor que elas contêm também fica junto com elas na stack. Ou seja, quando você faz a declaração abaixo:

int numero = 3;

O compilador armazena essa variável diretamente na memória stack, como na ilustração abaixo:

Alocação de memória - Value-Type

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Perceba que o valor da variável fica junto com a própria variável. Variáveis onde isso acontece são chamadas de Value-Types, justamente porque o valor delas fica junto com a própria variável na memória stack. Assim, quando você tem o seguinte código:

if (numero >= 3)
{
    //...
}

O compilador tem acesso direto ao conteúdo, pois ele está juntinho com a própria variável na memória stack:

Acesso à memória: value-type

Agora, outros tipos de dados ocupam muito mais espaço de memória do que estes tipos leves que são value-types. Por isso, eles não podem ser armazenados diretamente na stack (caso fossem, rapidamente a memória stack seria “estourada”, causando o famoso erro StackOverflowException). Sendo assim, estes dados são armazenados na memória heap.

Vamos imaginar que você tenha o seguinte código:

class Pessoa
{
    public int Id {get; set;}
    public string Nome {get; set;}
}

Quando você cria um objeto dessa classe, este objeto será armazenado na memória heap:

Pessoa minhaPessoa = new Pessoa();

Alocação de memória: reference-type

Porém, o compilador não acessa a heap diretamente. Por que ele não acessa? Justamente porque ela é muito grande… Se ele fosse procurar o objeto minhaPessoa dentro da heap, ele iria demorar um tantinho bom de tempo. O compilador precisaria ter um jeito de acessar pela stack (que é rápida pra encontrar as coisas até mesmo por ser bem menor) o que está alocado na heap (que é bem maior). Como o compilador contorna isso? Criando uma referência dentro da stack para o objeto minhaPessoa, apontando onde na memória heap que este objeto está de fato guardado!

Processo de referência stack-heap

Essa porção de memória que é alocada na stack para apontar para uma posição de memória da heap é chamada de ponteiro. Por isso ele tem esse asterisco (*) na frente do seu nome.

Repare então que é criada uma referência da stack para uma determinada posição de memória da heap, referência essa guardada por um ponteiro na stack. Esse tipo de variável (como no caso da variável minhaPessoa, do tipo Pessoa) é chamada de Reference-Type, já que é necessário uma referência da stack para a heap para que esta variável seja acessível. Variáveis reference-type geralmente precisam que seja chamado o respectivo construtor através da palavra-chave new, pois ele é que define que uma porção de memória da heap deverá ser utilizada para guardar aquele objeto.

Dessa maneira, quando temos o código abaixo:

if (minhaPessoa.Id > 2)
{
    //...
}

O compilador faz o acesso ao objeto minhaPessoa através da stack, ou seja, através do ponteiro. Esse ponteiro encaminha o compilador para a posição de memória da heap que contém de fato o objeto minhaPessoa.

Acesso à memória: reference-types

Resumindo:

  • Value-Type: são tipos leves (como os tipos primitivos e structs) que ficam armazenados diretamente na memória stack. Os valores das variáveis ficam armazenados juntamente com as próprias variáveis, sendo o acesso ao seu conteúdo feito de maneira direta;
  • Reference-Type: tipos pesados (objetos criados a partir de classes, etc.) que ficam armazenados na heap. Para não sacrificar a performance, é criada uma referência (ponteiro) na stack que aponta para qual posição de memória o objeto está armazenado na heap. O acesso é feito via essa referência na stack. Sendo assim, o acesso ao conteúdo é indireto, dependendo dessa referência;
  • Stack: porção de memória pequena onde os value-types e os ponteiros ficam;
  • Heap: porção maior de memória onde os reference-types ficam de fato alocados… Para se fazer o acesso a eles, precisamos de um ponteiro na stack que indique a posição de memória na heap onde o objeto está de fato alocado.

O detalhe interessante é que a imensa maioria das linguagens gerenciadas (como o Java, Swift e o próprio C#) seguem exatamente esta arquitetura de gerenciamento de memória… Isso quer dizer que o que vimos aqui para o C#, pode ser aplicado para outras linguagens com pequenas variações. o/

É isso aí pessoal. Obrigado por terem lido este post! =)

Nos próximos posts, continuaremos as discussões sobre os value-types e os reference-types e veremos um tipo de dado que foge um pouco da regra: as strings.

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Líder de Conteúdo/Inovação. Pós-graduado em Projeto e Desenvolvimento de Aplicações Web. Certificado Microsoft MCSD (Web).