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(kāi)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，算是溫故知新吧，以下是目錄，由于本文篇幅較多因此接下來(lái)會(huì)分三次發(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)

Java、Python等內(nèi)存模型

Java內(nèi)存模型

Jave中的堆區(qū)與棧區(qū)是如何實(shí)現(xiàn)的

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)

什么是內(nèi)存

0和1這兩個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字能做什么？在其它學(xué)科中也許什么都做不了，但是在計(jì)算機(jī)科學(xué)中這就是全部。精彩紛呈的計(jì)算機(jī)世界正是構(gòu)筑在這樣兩個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)字之上。

內(nèi)存本身其實(shí)非常簡(jiǎn)單，內(nèi)存的作用就是用來(lái)裝數(shù)字0和數(shù)字1的，如圖所示，圖中的一個(gè)盒子就是內(nèi)存的一個(gè)基本單元，裝的不是0就是裝的1。

內(nèi)存由一大堆的“盒子”組成，每個(gè)盒子中要么是0要么是1，其中8個(gè)盒子被稱之為一個(gè)“字節(jié)”，每8個(gè)盒子也就是一個(gè)字節(jié)都有一個(gè)編號(hào)，這些編號(hào)就是簡(jiǎn)單的從0開(kāi)始依次累加的，這個(gè)編號(hào)就被稱之為“ 內(nèi)存地址 ”。其中左邊的數(shù)字是內(nèi)存地址，每一排是一個(gè)字節(jié)，圖中展示的就是一個(gè)8字節(jié)大小的內(nèi)存。

而對(duì)于我們平時(shí)使用的比如2G、4G甚至8G大小的內(nèi)存來(lái)說(shuō)，只不過(guò)就是“盒子”多一點(diǎn)能裝的01多一點(diǎn)而已，本質(zhì)上和我們?cè)谶@里展示的8字節(jié)大小的內(nèi)存沒(méi)有任何區(qū)別。

在后面的章節(jié)中我將用右圖來(lái)表示內(nèi)存，但是你的大腦里一定要有左圖這樣一個(gè)概念。當(dāng)計(jì)算機(jī)在執(zhí)行我們的程序時(shí)，無(wú)論是我們的機(jī)器指令還是機(jī)器指令操作的數(shù)據(jù)，都需要存放在這些小盒子中(內(nèi)存)。

以上就是從硬件角度來(lái)看內(nèi)存，那么從編程語(yǔ)言上來(lái)看，程序員應(yīng)該如何理解內(nèi)存呢？

C/C++內(nèi)存模型

對(duì)于C/C++程序員來(lái)說(shuō)，常用的int，char等變量都被裝在盒子中，char值只需要一排盒子就能裝下(8bit)，一個(gè)int值一般需要四排盒子才能裝得下。連續(xù)幾排裝有同樣類型變量的盒子就是數(shù)組(array)，連續(xù)幾排裝有不同類型變量的盒子就是結(jié)構(gòu)體(struct)，C/C++語(yǔ)言中不管多么復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出來(lái)的，都需要裝在這些盒子里，沒(méi)什么大不了的。

現(xiàn)在你已經(jīng)知道了對(duì)于C/C++程序員來(lái)說(shuō)，我們使用的變量是直接放在內(nèi)存中的(盒子)， 每一排盒子的地址就是我們熟知的“指針” ，請(qǐng)記住，指針就是你使用的變量在內(nèi)存中的地址，僅此而已。

C/C++程序在被執(zhí)行時(shí)，需要在內(nèi)存中劃出兩段區(qū)域用于存放數(shù)據(jù)，這兩個(gè)區(qū)域就是我們熟悉的堆(Heap)和棧(Stack)，也稱堆區(qū)和棧區(qū)，如圖所示，其中數(shù)據(jù)段和代碼段我們已經(jīng)熟悉了，在這里我們將進(jìn)一步完善C/C++程序在內(nèi)存中的樣子，如圖所示，其中堆區(qū)緊鄰數(shù)據(jù)段，在數(shù)據(jù)段之上，而棧在最上方，棧和堆之間是尚未被使用的內(nèi)存，隨著程序的運(yùn)行，當(dāng)程序申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)棧區(qū)和堆區(qū)之間的空隙會(huì)減小，當(dāng)程序釋放內(nèi)存后空隙會(huì)擴(kuò)大，這就是C/C++程序的內(nèi)存模型。

每個(gè)函數(shù)運(yùn)行時(shí)都會(huì)在棧區(qū)上占用一塊內(nèi)存，這塊內(nèi)存中保存的是調(diào)用函數(shù)的參數(shù)以及函數(shù)中的定義的局部變量，這些變量在函數(shù)調(diào)用完成后會(huì)被釋放。從這里可以看出棧上的變量無(wú)需程序員關(guān)心其釋放問(wèn)題，當(dāng)函數(shù)調(diào)用完畢后會(huì)自動(dòng)釋放所占用的空間。

和棧上的變量不同的是，堆上分配的內(nèi)存不會(huì)像棧一樣被自動(dòng)釋放，在堆上分配的內(nèi)存需要程序員手動(dòng)釋放，如果程序員在堆上分配了一塊內(nèi)存，但在使用完后忘記釋放，這種情況就被稱之為“內(nèi)存泄漏”，所謂“內(nèi)存泄漏”就是使用完畢后的內(nèi)存沒(méi)有釋放掉，但是這塊內(nèi)存也不能被用作其它地方從而導(dǎo)致堆占用的內(nèi)存不斷增大，表現(xiàn)出來(lái)的就是如果我們?nèi)?a target="_blank">檢測(cè)程序所占用的內(nèi)存，會(huì)發(fā)現(xiàn)程序所占用的內(nèi)存不斷增大，當(dāng)操作系統(tǒng)是不可能坐視某個(gè)進(jìn)程不斷吞噬掉系統(tǒng)內(nèi)存的，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)存資源不足時(shí)將觸發(fā)操作系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制，這在Linux中就是著名的OOM Killer，即Out Of Memory Killer，OOM Killer會(huì)根據(jù)一些策略Killer有問(wèn)題的進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程通常都是占用內(nèi)存最多的那個(gè)。

下面我們用一小段C代碼來(lái)實(shí)際演示一變量是如何在堆區(qū)棧區(qū)上分配的，不用擔(dān)心，這段代碼非常簡(jiǎn)單：

include

如圖所示，這就是以上代碼運(yùn)行過(guò)程中的樣子，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，每個(gè)函數(shù)在被執(zhí)行的時(shí)候都在棧區(qū)上占有一小段，在這一小段中存放當(dāng)前函數(shù)中定義的局部變量和傳入函數(shù)的參數(shù)。每個(gè)函數(shù)所占用的這一段內(nèi)存有一個(gè)很形象的名字，叫做“棧幀(stack frame)”，原因就在于棧是隨著函數(shù)調(diào)用一幀一幀增加的，每個(gè)函數(shù)在被調(diào)用時(shí)都會(huì)在棧上分配一幀，所以就叫棧幀。這個(gè)詞請(qǐng)大家不必去深究，每個(gè)被調(diào)函數(shù)在棧區(qū)上做占用的內(nèi)存總要有個(gè)名字，棧幀只不過(guò)比較形象而已。

這段代碼中，main函數(shù)會(huì)調(diào)用函數(shù)f1，f1會(huì)調(diào)用函數(shù)f2()，其中變量a，b，c以及heap依次被放在各自函數(shù)的棧幀中，值得注意的一點(diǎn)在于， heap這個(gè)變量本身是在棧上的，但是heap所指向的內(nèi)存是分配在堆上的 ，heap本身僅僅保存的是4這個(gè)值在內(nèi)存中的 位置 ，比如這里的0x10，表示的就是4這個(gè)值放在了內(nèi)存0x10的這個(gè)位置上，heap就是C/C++語(yǔ)言中所謂的指針。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著函數(shù)的調(diào)用，棧是不斷在擴(kuò)大的，當(dāng)f2，f1執(zhí)行完畢返回main時(shí)就是如下圖所示的樣子。

從圖中我們可以看出，f2在執(zhí)行完畢后，f2所占用的內(nèi)存就被回收了，所謂“回收”就是這塊內(nèi)存又可以用作其它用途了。f1執(zhí)行完畢后所占用的內(nèi)存同樣也被回收，這樣我們就又回到了main()函數(shù)中。

這個(gè)過(guò)程中我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有意思的現(xiàn)象就是最先被使用的棧幀其實(shí)是最后才被釋放的，這種先進(jìn)后出的性質(zhì)就被稱之為“棧”，如下圖所示。所以你會(huì)看到“棧“這個(gè)詞更多的是指順序上的先進(jìn)后出，只不過(guò)函數(shù)調(diào)用時(shí)所占用的內(nèi)存在使用方式上也是先進(jìn)后出的，所以這塊內(nèi)存就被稱之為棧區(qū)了。

在講解完棧之后，我們來(lái)看看堆，不同于像a，b，c這樣存在于棧區(qū)上的變量，棧區(qū)上的變量可以在函數(shù)執(zhí)行完成后被自動(dòng)釋放掉，在堆區(qū)上的分配內(nèi)存除非程序員手動(dòng)調(diào)用free,delete明確的告知內(nèi)存使用完畢，否則這塊內(nèi)存就會(huì)一直被占用而不能用作其它用途，這就是堆區(qū)。

你可能會(huì)問(wèn)，什么樣的變量在需要在堆上分配呢，我們知道，函數(shù)調(diào)用完成后棧上的分配的局部變量會(huì)因?yàn)闂会尫哦辉倏捎茫褏^(qū)的存在就是為了解決這個(gè)問(wèn)題，堆區(qū)中申請(qǐng)的內(nèi)存不會(huì)因?yàn)闂尼尫哦辉倏捎茫沟米兞康纳芷诓辉倬窒抻谀硞€(gè)函數(shù)，其生命周期是靠程序員用malloc(new)以及free(delete)來(lái)控制的，這樣的變量在使用時(shí)可以跨越函數(shù)調(diào)用。

另外一點(diǎn)值得注意的是，f2函數(shù)中我們?cè)诙焉仙暾?qǐng)了一塊內(nèi)存用來(lái)存放整數(shù)，但是f2執(zhí)行完成后并沒(méi)有去釋放這塊內(nèi)存，根據(jù)堆的性質(zhì)我們知道這塊函數(shù)在接下來(lái)的運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法再被使用，就好像這塊內(nèi)存被遺忘了一樣，這就是內(nèi)存泄漏。