程序员应如何理解内存：中篇

分手后的思念是犯贱 2022-12-31 03:26 157阅读 0赞

本节是操作系统系列教程的第三篇文章，属于操作系统第一章即基础篇，在真正开始操作系统相关章节前在这一部分回顾一些重要的主题，以下是目录，由于本文篇幅较多因此会按[上篇][Link 1]、中篇、下篇三次发布，目录中黑体为本篇内容。

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什么是内存

C/C++内存模型

**堆区与栈区的本质**

**Java、Python等内存模型**

**Java内存模型**

**Jave中的堆区与栈区是如何实现的**

**Python内存模型**

指针与引用

进程的内存模型

幻想大师-操作系统

总结

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##### 堆与栈的本质是什么 #####

在编程语言中，堆区和栈区本质上都是内存，因此二者在本质上没有任何区别，只不过这两块内存的**使用方式**是不一样的。

在数据结构与算法中，我们也有堆和栈的概念，但那里指的不是内存，而是两种数据结构。

你可能会想，我们为什么要费尽心力的提出堆和栈这两个概念呢？之所以需要区分两种内存用法，根源在于：**内存是有限的**。

如果计算机内存是无限的，那么我们根本就不用这么麻烦的给内存划分两个区域，在其中的一个区域中这样使用内存，另一区域那样使用内存，这些都是不需要的。即使在今天PC内存普遍都在8G、16G，这依然是不够的，因此我们需要合理的来安排内存的使用，堆和栈就是为达到这一目的而采用的技术。

你会发现栈其实是一种非常巧妙的内存使用方法。函数调用完成后，函数运行过程中占用的内存就会被释放掉，这样，只要程序员代码写的合理(栈帧不至于过大)，那我们程序就可以一直运行下去，而不会出现内存不足的现象。程序员在栈区不需要担心内存分配释放问题，因为这一切都是自动进行的。而如果程序员想自己控制内存，那么可以选择在堆上进行内存分配。因此这里提供了两种选择，一种是“自动的”，一种是“手动的”，目的都是在合理使用内存的同时提供给程序员最大的灵活性。

堆和栈是计算机科学中很优秀的设计思想，这种设计思想充分的体现了计算机如何**合理且灵活**的使用有限资源。

堆区和栈区对C/C++程序员来说就是实实在在的内存，而对于Java、Python等语言的程序员来说又该如何理解内存呢?

##### Java、Python等内存模型 #####

当Java、Python等语言的程序在执行时其解释器的内存布局同样如下图所示，我们之前讲过，解释器也是一个C/C++程序，因此这里的代码段包含的是解释器的实现代码而不是Java、Python等代码，这一点大家一定要注意。

"C/C++程序员面对的是实实在在的物理内存，Java、Python等程序面对的是解释器。"

C/C++分配内存是直接在物理内存中进行的，而Java、Python等程序是将内存分配请求交给解释器，解释器再去物理内存上进行分配。希望大家务必理解这一点。

Java、Python等程序员是看不到如下图所示的内存布局的，因为这一切都是解释器才能看到的，解释器对Java、Python等程序员屏蔽了这些。Java、Python等程序员也无需关心解释器的内存布局。

![format_png][]

Java、Python等程序的一大优点就是内存的自动化管理，而C/C++程序员需要自己来管理从堆上分配的内存。内存管理这一项工作在Java、Python等程序中被解释器接管了，解释器的这项功能被称为“垃圾回收器”。

在非C/C++语言中，我们来看两个有代表性的语言，首先我们看一下Java。

###### Java内存模型 ######

Java的内存模型中同样有栈和堆这样的概念，如下图所示，在Java函数中我们定义的内置数据类型比如int a = 0，是直接存放在栈上的，引用类型，也就是用new关键字定义的变量是分配在堆上的。和C/C++一样，每个Java函数在执行时都有自己的栈帧。随着函数的调用，栈不断的扩大。当函数调用完毕后栈帧被回收，在堆上分配的变量依然可以被后续函数使用。Java程序员无需像C/C++程序员一样需要关心内存回收的问题，这一切都是Java的解释器JVM来管理的。

![format_png 1][]

在用法上Java中的堆和栈和C/C++是一样的，只不过Java程序员无需关心内存的释放问题。但是好奇的同学可能会问，C/C++中的堆和栈我已经清楚了，因为C/C++程序运行时在内存中的样子已经在《C/C++内存模型》这一小节中详细的讲述了，那么Java中的堆和栈在内存中是什么样子的呢，就是和上图一样吗？要回答这个问题，就要涉及到Java中的堆和栈是如何实现的。

###### Java中的堆和栈是如何实现的 ######

如果你自己设计过一门语言的话，你应该会很清楚这个问题。

我们先回答上一节中提到的问题，那就是Java中的堆和栈就是如上图所示的那样吗？是这样的，作为Java程序员在写代码时脑海里有上面这张图基本上就够用了。但是，Java中的堆和栈不同于C/C++当中的堆和栈。

我们已经知道Java中的内存管理其实是解释器JVM来搞定的，作为C/C++程序，JVM的内存布局就如下图所示。

![format_png][]

一般情况下，当JVM运行一个Java函数时需要在堆上创建出Java函数的栈帧，然后把这些栈帧放入栈中(这里的栈指的是具有先进后出性质的数据结构)。希望大家不要被这句话绕晕，这里出现了两个“栈”，但是含义完全不同。

*  Java栈帧：指的是上图中我们看到的栈。
 *  栈帧放入到栈：我们在数据结构课程中都学过栈，栈有push和pop两种操作，把栈帧放入栈指的是把栈帧push到JVM所持有的栈这种数据结构当中，以此来模拟C/C++程序执行过程中函数栈帧先进后出的这种性质，当一个Java函数被执行完毕后，JVM pop掉该函数的栈帧。
    
    如果你想在代码级别来理解这个过程，大体上可以参考下面的代码，注意JVM是C/C++程序，这里的代码是一个极其简单的描述。**你可以看到如何组织栈帧完全是JVM设计者来决定的，只要栈帧具备先进后出的性质就可以。**

void RunJavaFunction(JVM* jvm， string javaFunction) {
    
    
        // 在堆上申请一块空间，用于存放java栈帧
        stackFrame* frame = (stackFrame*) malloc(sizeof(stackFrame));
        
        // 把要使用的栈帧push到JVM的函数调用栈中
        jvm->stack->push(frame);
        
        // 在申请的栈帧上执行Java函数
        run(javaFunction, frame);
        
        // 执行完毕后pop掉该函数栈帧
        jvm->stack->pop();
    }

JVM会在自己的堆中为用new修饰的对象创建内存，这里的堆就是如上图所示的堆，是可以要记住JVM是一个C/C++程序，JVM看到的堆才是如上图所示的那样。所以你会发现，一般情况下，**Java中的栈和Java对象都是JVM在自己的堆上分配出来的**，这就是Java中堆和栈是如何实现的。

在讲解完Java的内存模型后，我们来看一下Python的。

###### **Python内存模型** ######

Python的内存模型和Java其实是类似的，Java程序员脑海中的那张图同样适用于Python程序员。

Python语言中的解释器比较多，比如CPython，PyPy等，在这里我们以Python默认的解释器CPython为例来说明，我们已经知道了解释器其实也是一个C程序，CPython也不例外，下图左侧就是我们已经熟悉的C/C++内存布局，我们把堆区放大，如下图右侧所示。我们可以看到Python的解释器把自己的堆区划分成了两部分，分别是Object-specific memory区域，以及Python core区域：

Object-specific memory这个区域专门用来存放PyObject。你也许已经知道了，Python中所有的数据类型比如int，dict，str等都是一个对象，叫做PyObject。当我们在Python中创建一个变量比如dict时，CPython就会在堆区的上半部分(Object-specific memory)中分配一块内存，创建一个PyObject，这个PyObject用来存放我们的dict。

Python core：所有非PyObject的内存请求都在这里分配的。

![format_png 2][]

所以你会发现，Python中所有的内存同样是解释器在自己的堆上分配的。

*本文最后一部分将在《程序员应如何理解内存：下篇》中继续。*

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**操作系统系列**

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  <tr> 
   <td colspan="1" align="center">基础篇<br></td> 
   <td>1，<a href="http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU2NTYyOTQ4OQ%3D%3D&amp;chksm=fcb98606cbce0f10090d950ec468b0a1e28087cd158a850bc7dc4c262fd2612a319851987220&amp;idx=1&amp;mid=2247483736&amp;scene=21&amp;sn=4da1eec64e42567a0fdf4ae6d4e9344e#wechat_redirect" rel="nofollow">什么是程序</a><br></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><p>2，<a href="http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU2NTYyOTQ4OQ%3D%3D&amp;chksm=fcb9863acbce0f2c52c632deddb4b4c6351dca5d7b9dee6c762e7d96032c260eb0b525c70900&amp;idx=1&amp;mid=2247483748&amp;scene=21&amp;sn=41cfae5bc803daf7a58f760b5417cf8d#wechat_redirect" rel="nofollow">程序？</a><a href="http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU2NTYyOTQ4OQ%3D%3D&amp;chksm=fcb9863acbce0f2c52c632deddb4b4c6351dca5d7b9dee6c762e7d96032c260eb0b525c70900&amp;idx=1&amp;mid=2247483748&amp;scene=21&amp;sn=41cfae5bc803daf7a58f760b5417cf8d#wechat_redirect" rel="nofollow">进程？傻傻分不清</a></p></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1" align="left">3，<a href="http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU2NTYyOTQ4OQ%3D%3D&amp;chksm=fcb986ebcbce0ffdc6c087775b895f6a0c0b83c72a91ee5614e253bea005509de8abfab6fc0e&amp;idx=1&amp;mid=2247483829&amp;scene=21&amp;sn=b9c32f56e95bdc229315e2b5ffd365cd#wechat_redirect" rel="nofollow">程序员应如何理解内存：</a><a href="http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU2NTYyOTQ4OQ%3D%3D&amp;chksm=fcb986ebcbce0ffdc6c087775b895f6a0c0b83c72a91ee5614e253bea005509de8abfab6fc0e&amp;idx=1&amp;mid=2247483829&amp;scene=21&amp;sn=b9c32f56e95bdc229315e2b5ffd365cd#wechat_redirect" rel="nofollow">上篇</a><br></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
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[Link 1]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU2NTYyOTQ4OQ%3D%3D&chksm=fcb986ebcbce0ffdc6c087775b895f6a0c0b83c72a91ee5614e253bea005509de8abfab6fc0e&idx=1&mid=2247483829&scene=21&sn=b9c32f56e95bdc229315e2b5ffd365cd#wechat_redirect
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