JAVA中的內(nèi)存分配精講(轉(zhuǎn)載JavaEye)

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JAVA中的內(nèi)存分配精講
按照編譯原理的觀點,程序運行時的內(nèi)存分配有三種策略,分別是靜態(tài)的,棧式的,和堆式的.
靜態(tài)存儲分配是指在編譯時就能確定每個數(shù)據(jù)目標(biāo)在運行時刻的存儲空間需求,因而在編譯時就可以給他們分配固定的內(nèi)存空間.這種分配策略要求程序代
碼中不允許有可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(比如可變數(shù)組)的存在,也不允許有嵌套或者遞歸的結(jié)構(gòu)出現(xiàn),因為它們都會導(dǎo)致編譯程序無法計算準(zhǔn)確的存儲空間需求.
      
棧式存儲分配也可稱為動態(tài)存儲分配,是由一個類似于堆棧的運行棧來實現(xiàn)的.和靜態(tài)存儲分配相反,在棧式存儲方案中,程序?qū)��?shù)據(jù)區(qū)的需求在編譯時是完全未知
的,只有到運行的時候才能夠知道,但是規(guī)定在運行中進入一個程序模塊時,必須知道該程序模塊所需的數(shù)據(jù)區(qū)大小才能夠為其分配內(nèi)存.和我們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所熟知
的棧一樣,棧式存儲分配按照先進后出的原則進行分配。
      
靜態(tài)存儲分配要求在編譯時能知道所有變量的存儲要求,棧式存儲分配要求在過程的入口處必須知道所有的存儲要求,而堆式存儲分配則專門負責(zé)在編譯時或運行時
模塊入口處都無法確定存儲要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存分配,比如可變長度串和對象實例.堆由大片的可利用塊或空閑塊組成,堆中的內(nèi)存可以按照任意順序分配和釋
放.

2.2 堆和棧的比較
          上面的定義從編譯原理的教材中總結(jié)而來,除靜態(tài)存儲分配之外,都顯得很呆板和難以理解,下面撇開靜態(tài)存儲分配,集中比較堆和棧:
        從堆和棧的功能和作用來通俗的比較,堆主要用來存放對象的，棧主要是用來執(zhí)行程序的.而這種不同又主要是由于堆和棧的特點決定的:
在編程中，例如C/C++中，所有的方法調(diào)用都是通過棧來進行的,所有的局部變量,形式參數(shù)都是從棧中分配內(nèi)存空間的。實際上也不是什么分配,只
是從棧頂向上用就行,就好像工廠中的傳送帶(conveyor belt)一樣,Stack
Pointer會自動指引你到放東西的位置,你所要做的只是把東西放下來就行.退出函數(shù)的時候，修改棧指針就可以把棧中的內(nèi)容銷毀.這樣的模式速度最快,
當(dāng)然要用來運行程序了.需要注意的是,在分配的時候,比如為一個即將要調(diào)用的程序模塊分配數(shù)據(jù)區(qū)時,應(yīng)事先知道這個數(shù)據(jù)區(qū)的大小,也就說是雖然分配是在程
序運行時進行的,但是分配的大小多少是確定的,不變的,而這個"大小多少"是在編譯時確定的,不是在運行時.
           
堆是應(yīng)用程序在運行的時候請求操作系統(tǒng)分配給自己內(nèi)存，由于從操作系統(tǒng)管理的內(nèi)存分配,所以在分配和銷毀時都要占用時間，因此用堆的效率非常低.但是堆的
優(yōu)點在于,編譯器不必知道要從堆里分配多少存儲空間，也不必知道存儲的數(shù)據(jù)要在堆里停留多長的時間,因此,用堆保存數(shù)據(jù)時會得到更大的靈活性。事實上,面
向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)性,堆內(nèi)存分配是必不可少的,因為多態(tài)變量所需的存儲空間只有在運行時創(chuàng)建了對象之后才能確定.在C++中，要求創(chuàng)建一個對象時，只需用
new命令編制相關(guān)的代碼即可。執(zhí)行這些代碼時，會在堆里自動進行數(shù)據(jù)的保存.當(dāng)然，為達到這種靈活性，必然會付出一定的代價:在堆里分配存儲空間時會花
掉更長的時間！這也正是導(dǎo)致我們剛才所說的效率低的原因,看來列寧同志說的好,人的優(yōu)點往往也是人的缺點,人的缺點往往也是人的優(yōu)點(暈~).
2.3 JVM中的堆和棧
            JVM是基于堆棧的虛擬機.JVM為每個新創(chuàng)建的線程都分配一個堆棧.也就是說,對于一個Java程序來說，它的運行就是通過對堆棧的操作來完成的。堆棧以幀為單位保存線程的狀態(tài)。JVM對堆棧只進行兩種操作:以幀為單位的壓棧和出棧操作。
      
我們知道,某個線程正在執(zhí)行的方法稱為此線程的當(dāng)前方法.我們可能不知道,當(dāng)前方法使用的幀稱為當(dāng)前幀。當(dāng)線程激活一個Java方法,JVM就會在線程的
Java堆棧里新壓入一個幀。這個幀自然成為了當(dāng)前幀.在此方法執(zhí)行期間,這個幀將用來保存參數(shù),局部變量,中間計算過程和其他數(shù)據(jù).這個幀在這里和編譯
原理中的活動紀(jì)錄的概念是差不多的.
從Java的這種分配機制來看,堆棧又可以這樣理解:堆棧(Stack)是操作系統(tǒng)在建立某個進程時或者線程(在支持多線程的操作系統(tǒng)中是線程)為這個線程建立的存儲區(qū)域，該區(qū)域具有先進后出的特性。
      
每一個Java應(yīng)用都唯一對應(yīng)一個JVM實例，每一個實例唯一對應(yīng)一個堆。應(yīng)用程序在運行中所創(chuàng)建的所有類實例或數(shù)組都放在這個堆中,并由應(yīng)用所有的線程
共享.跟C/C++不同，Java中分配堆內(nèi)存是自動初始化的。Java中所有對象的存儲空間都是在堆中分配的，但是這個對象的引用卻是在堆棧中分配,也
就是說在建立一個對象時從兩個地方都分配內(nèi)存，在堆中分配的內(nèi)存實際建立這個對象，而在堆棧中分配的內(nèi)存只是一個指向這個堆對象的指針(引用)而已。
2.4 GC的思考
        Java為什么慢?JVM的存在當(dāng)然是一個原因,但有人說,在Java中,除了簡單類型(int,char等)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其它都是在堆中分配內(nèi)存(所以說Java的一切都是對象)，這也是程序慢的原因之一。
        我的想法是(應(yīng)該說代表TIJ的觀點),如果沒有Garbage
Collector(GC),上面的說法就是成立的.堆不象棧是連續(xù)的空間,沒有辦法指望堆本身的內(nèi)存分配能夠象堆棧一樣擁有傳送帶般的速度,因為,誰會
為你整理龐大的堆空間,讓你幾乎沒有延遲的從堆中獲取新的空間呢?
      
這個時候,GC站出來解決問題.我們都知道GC用來清除內(nèi)存垃圾,為堆騰出空間供程序使用,但GC同時也擔(dān)負了另外一個重要的任務(wù),就是要讓Java中堆
的內(nèi)存分配和其他語言中堆棧的內(nèi)存分配一樣快,因為速度的問題幾乎是眾口一詞的對Java的詬病.要達到這樣的目的,就必須使堆的分配也能夠做到象傳送帶
一樣,不用自己操心去找空閑空間.這樣,GC除了負責(zé)清除Garbage外,還要負責(zé)整理堆中的對象,把它們轉(zhuǎn)移到一個遠離Garbage的純凈空間中無
間隔的排列起來,就象堆棧中一樣緊湊,這樣Heap
Pointer就可以方便的指向傳送帶的起始位置,或者說一個未使用的空間,為下一個需要分配內(nèi)存的對象"指引方向".因此可以這樣說,垃圾收集影響了對
象的創(chuàng)建速度,聽起來很怪,對不對?
      
那GC怎樣在堆中找到所有存活的對象呢?前面說了,在建立一個對象時，在堆中分配實際建立這個對象的內(nèi)存,而在堆棧中分配一個指向這個堆對象的指針(引
用),那么只要在堆棧(也有可能在靜態(tài)存儲區(qū))找到這個引用,就可以跟蹤到所有存活的對象.找到之后,GC將它們從一個堆的塊中移到另外一個堆的塊中,并
將它們一個挨一個的排列起來,就象我們上面說的那樣,模擬出了一個棧的結(jié)構(gòu),但又不是先進后出的分配,而是可以任意分配的,在速度可以保證的情況下,
Isn't it great?
      
但是，列寧同志說了,人的優(yōu)點往往也是人的缺點,人的缺點往往也是人的優(yōu)點(再暈~~).GC()的運行要占用一個線程,這本身就是一個降低程序運行性能
的缺陷,更何況這個線程還要在堆中把內(nèi)存翻來覆去的折騰.不僅如此,如上面所說,堆中存活的對象被搬移了位置,那么所有對這些對象的引用都要重新賦值.這
些開銷都會導(dǎo)致性能的降低.
        此消彼長,GC()的優(yōu)點帶來的效益是否蓋過了它的缺點導(dǎo)致的損失,我也沒有太多的體會,Bruce Eckel 是Java的支持者，王婆賣瓜，話不能全信.個人總的感覺是,Java還是很慢,它的發(fā)展還需要時間.
               
               
               

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