程序員眼里的內(nèi)存（中）

本節(jié)是操作系統(tǒng)系列教程的第三篇文章，屬于操作系統(tǒng)第一章即基礎(chǔ)篇，在真正開始操作系統(tǒng)相關(guān)章節(jié)前在這一部分回顧一些重要的主題，以下是目錄，由于本文篇幅較多因此會按上篇、中篇、下篇三次發(fā)布，目錄中黑體為本篇內(nèi)容。

什么是內(nèi)存

C/C++內(nèi)存模型

**堆區(qū)與棧區(qū)的本質(zhì)

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**Java、Python等內(nèi)存模型

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**Java內(nèi)存模型

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**Jave中的堆區(qū)與棧區(qū)是如何實現(xiàn)的

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Python內(nèi)存模型

指針與引用

進(jìn)程的內(nèi)存模型

幻想大師-操作系統(tǒng)

總結(jié)

堆與棧的本質(zhì)是什么

在編程語言中，堆區(qū)和棧區(qū)本質(zhì)上都是內(nèi)存，因此二者在本質(zhì)上沒有任何區(qū)別，只不過這兩塊內(nèi)存的使用方式是不一樣的。

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法中，我們也有堆和棧的概念，但那里指的不是內(nèi)存，而是兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

你可能會想，我們?yōu)槭裁匆M盡心力的提出堆和棧這兩個概念呢？之所以需要區(qū)分兩種內(nèi)存用法，根源在于： 內(nèi)存是有限的 。

如果計算機(jī)內(nèi)存是無限的，那么我們根本就不用這么麻煩的給內(nèi)存劃分兩個區(qū)域，在其中的一個區(qū)域中這樣使用內(nèi)存，另一區(qū)域那樣使用內(nèi)存，這些都是不需要的。即使在今天PC內(nèi)存普遍都在8G、16G，這依然是不夠的，因此我們需要合理的來安排內(nèi)存的使用，堆和棧就是為達(dá)到這一目的而采用的技術(shù)。

你會發(fā)現(xiàn)棧其實是一種非常巧妙的內(nèi)存使用方法。函數(shù)調(diào)用完成后，函數(shù)運行過程中占用的內(nèi)存就會被釋放掉，這樣，只要程序員代碼寫的合理(棧幀不至于過大)，那我們程序就可以一直運行下去，而不會出現(xiàn)內(nèi)存不足的現(xiàn)象。程序員在棧區(qū)不需要擔(dān)心內(nèi)存分配釋放問題，因為這一切都是自動進(jìn)行的。而如果程序員想自己控制內(nèi)存，那么可以選擇在堆上進(jìn)行內(nèi)存分配。因此這里提供了兩種選擇，一種是“自動的”，一種是“手動的”，目的都是在合理使用內(nèi)存的同時提供給程序員最大的靈活性。

堆和棧是計算機(jī)科學(xué)中很優(yōu)秀的設(shè)計思想，這種設(shè)計思想充分的體現(xiàn)了計算機(jī)如何合理且靈活的使用有限資源。

堆區(qū)和棧區(qū)對C/C++程序員來說就是實實在在的內(nèi)存，而對于Java、Python等語言的程序員來說又該如何理解內(nèi)存呢?

Java、Python等內(nèi)存模型

當(dāng)Java、Python等語言的程序在執(zhí)行時其解釋器的內(nèi)存布局同樣如下圖所示，我們之前講過，解釋器也是一個C/C++程序，因此這里的代碼段包含的是解釋器的實現(xiàn)代碼而不是Java、Python等代碼，這一點大家一定要注意。

"C/C++程序員面對的是實實在在的物理內(nèi)存，Java、Python等程序面對的是解釋器。"

C/C++分配內(nèi)存是直接在物理內(nèi)存中進(jìn)行的，而Java、Python等程序是將內(nèi)存分配請求交給解釋器，解釋器再去物理內(nèi)存上進(jìn)行分配。希望大家務(wù)必理解這一點。

Java、Python等程序員是看不到如下圖所示的內(nèi)存布局的，因為這一切都是解釋器才能看到的，解釋器對Java、Python等程序員屏蔽了這些。Java、Python等程序員也無需關(guān)心解釋器的內(nèi)存布局。

Java、Python等程序的一大優(yōu)點就是內(nèi)存的自動化管理，而C/C++程序員需要自己來管理從堆上分配的內(nèi)存。內(nèi)存管理這一項工作在Java、Python等程序中被解釋器接管了，解釋器的這項功能被稱為“垃圾回收器”。

在非C/C++語言中，我們來看兩個有代表性的語言，首先我們看一下Java。

Java內(nèi)存模型

Java的內(nèi)存模型中同樣有棧和堆這樣的概念，如下圖所示，在Java函數(shù)中我們定義的內(nèi)置數(shù)據(jù)類型比如int a = 0，是直接存放在棧上的，引用類型，也就是用new關(guān)鍵字定義的變量是分配在堆上的。和C/C++一樣，每個Java函數(shù)在執(zhí)行時都有自己的棧幀。隨著函數(shù)的調(diào)用，棧不斷的擴(kuò)大。當(dāng)函數(shù)調(diào)用完畢后棧幀被回收，在堆上分配的變量依然可以被后續(xù)函數(shù)使用。Java程序員無需像C/C++程序員一樣需要關(guān)心內(nèi)存回收的問題，這一切都是Java的解釋器JVM來管理的。

在用法上Java中的堆和棧和C/C++是一樣的，只不過Java程序員無需關(guān)心內(nèi)存的釋放問題。但是好奇的同學(xué)可能會問，C/C++中的堆和棧我已經(jīng)清楚了，因為C/C++程序運行時在內(nèi)存中的樣子已經(jīng)在《C/C++內(nèi)存模型》這一小節(jié)中詳細(xì)的講述了，那么Java中的堆和棧在內(nèi)存中是什么樣子的呢，就是和上圖一樣嗎？要回答這個問題，就要涉及到Java中的堆和棧是如何實現(xiàn)的。

Java中的堆和棧是如何實現(xiàn)的

如果你自己設(shè)計過一門語言的話，你應(yīng)該會很清楚這個問題。

我們先回答上一節(jié)中提到的問題，那就是Java中的堆和棧就是如上圖所示的那樣嗎？是這樣的，作為Java程序員在寫代碼時腦海里有上面這張圖基本上就夠用了。但是，Java中的堆和棧不同于C/C++當(dāng)中的堆和棧。

我們已經(jīng)知道Java中的內(nèi)存管理其實是解釋器JVM來搞定的，作為C/C++程序，JVM的內(nèi)存布局就如下圖所示。

一般情況下，當(dāng)JVM運行一個Java函數(shù)時需要在堆上創(chuàng)建出Java函數(shù)的棧幀，然后把這些棧幀放入棧中(這里的棧指的是具有先進(jìn)后出性質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。希望大家不要被這句話繞暈，這里出現(xiàn)了兩個“?！?，但是含義完全不同。

• Java棧幀：指的是上圖中我們看到的棧。

• 棧幀放入到棧：我們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中都學(xué)過棧，棧有push和pop兩種操作，把棧幀放入棧指的是把棧幀push到JVM所持有的棧這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，以此來模擬C/C++程序執(zhí)行過程中函數(shù)棧幀先進(jìn)后出的這種性質(zhì)，當(dāng)一個Java函數(shù)被執(zhí)行完畢后，JVM pop掉該函數(shù)的棧幀。

  如果你想在代碼級別來理解這個過程，大體上可以參考下面的代碼，注意JVM是C/C++程序，這里的代碼是一個極其簡單的描述。你可以看到如何組織棧幀完全是JVM設(shè)計者來決定的，只要棧幀具備先進(jìn)后出的性質(zhì)就可以。

void RunJavaFunction(JVM* jvm， string javaFunction) {


    // 在堆上申請一塊空間，用于存放java棧幀
    stackFrame* frame = (stackFrame*) malloc(sizeof(stackFrame));

    // 把要使用的棧幀push到JVM的函數(shù)調(diào)用棧中
    jvm->stack->push(frame);

    // 在申請的棧幀上執(zhí)行Java函數(shù)
    run(javaFunction, frame);

    // 執(zhí)行完畢后pop掉該函數(shù)棧幀
    jvm->stack->pop();
}

JVM會在自己的堆中為用new修飾的對象創(chuàng)建內(nèi)存，這里的堆就是如上圖所示的堆，是可以要記住JVM是一個C/C++程序，JVM看到的堆才是如上圖所示的那樣。所以你會發(fā)現(xiàn)，一般情況下， Java中的棧和Java對象都是JVM在自己的堆上分配出來的 ，這就是Java中堆和棧是如何實現(xiàn)的。

在講解完Java的內(nèi)存模型后，我們來看一下Python的。

Python內(nèi)存模型

Python的內(nèi)存模型和Java其實是類似的，Java程序員腦海中的那張圖同樣適用于Python程序員。

Python語言中的解釋器比較多，比如CPython，PyPy等，在這里我們以Python默認(rèn)的解釋器CPython為例來說明，我們已經(jīng)知道了解釋器其實也是一個C程序，CPython也不例外，下圖左側(cè)就是我們已經(jīng)熟悉的C/C++內(nèi)存布局，我們把堆區(qū)放大，如下圖右側(cè)所示。我們可以看到Python的解釋器把自己的堆區(qū)劃分成了兩部分，分別是Object-specific memory區(qū)域，以及Python core區(qū)域：

Object-specific memory這個區(qū)域?qū)ｉT用來存放PyObject。你也許已經(jīng)知道了，Python中所有的數(shù)據(jù)類型比如int，dict，str等都是一個對象，叫做PyObject。當(dāng)我們在Python中創(chuàng)建一個變量比如dict時，CPython就會在堆區(qū)的上半部分(Object-specific memory)中分配一塊內(nèi)存，創(chuàng)建一個PyObject，這個PyObject用來存放我們的dict。

Python core：所有非PyObject的內(nèi)存請求都在這里分配的。

所以你會發(fā)現(xiàn)，Python中所有的內(nèi)存同樣是解釋器在自己的堆上分配的。