內存分配策略中的堆與棧

按照編譯原理的觀點,程序運行時的內存分配有三種策略,分別是靜態的,棧式的,和堆式的.

　　靜態存儲分配是指在編譯時就能確定每個數據目標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存空間.這種分配策略要求程序代碼中不允許有可變數據結構(比如可變數組)的存在,也不允許有嵌套或者遞歸的結構出現,因爲它們都會導致編譯程序無法計算準確的存儲空間需求.

　　棧式存儲分配也可稱爲動態存儲分配,是由一個類似於堆棧的運行棧來實現的.和靜態存儲分配相反,在棧式存儲方案中,程序對數據區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據區大小才能夠爲其分配內存.和我們在數據結構所熟知的棧一樣,棧式存儲分配按照先進後出的原則進行分配。

　　靜態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在編譯時或運行時模塊入口處都無法確定存儲要求的數據結構的內存分配,比如可變長度串和對象實例.堆由大片的可利用塊或空閒塊組成,堆中的內存可以按照任意順序分配和釋放.

　　堆和棧的比較

　　上面的定義從編譯原理的教材中總結而來,除靜態存儲分配之外,都顯得很呆板和難以理解,下面撇開靜態存儲分配,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，棧主要是用來執行程序的.而這種不同又主要是由於堆和棧的特點決定的:

　　在編程中，例如C/C++中，所有的方法調用都是通過棧來進行的,所有的局部變量,形式參數都是從棧中分配內存空間的。實際上也不是什麼分配,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.退出函數的時候，修改棧指針就可以把棧中的內容銷燬.這樣的模式速度最快, 當然要用來運行程序了.需要注意的是,在分配的時候,比如爲一個即將要調用的程序模塊分配數據區時,應事先知道這個數據區的大小,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.

　　堆是應用程序在運行的時候請求操作系統分配給自己內存，由於從操作系統管理的內存分配,所以在分配和銷燬時都要佔用時間，因此用堆的效率非常低.但是堆的 優點在於,編譯器不必知道要從堆裏分配多少存儲空間，也不必知道存儲的數據要在堆裏停留多長的時間,因此,用堆保存數據時會得到更大的靈活性。事實上,面 向對象的多態性,堆內存分配是必不可少的,因爲多態變量所需的存儲空間只有在運行時創建了對象之後才能確定.在C++中，要求創建一個對象時，只需用 new命令編制相關的代碼即可。執行這些代碼時，會在堆裏自動進行數據的保存.當然，爲達到這種靈活性，必然會付出一定的代價:在堆裏分配存儲空間時會花 掉更長的時間！這也正是導致我們剛纔所說的效率低的原因,看來列寧同志說的好,人的優點往往也是人的缺點,人的缺點往往也是人的優點(暈~).

　　JVM中的堆和棧

　　JVM是基於堆棧的虛擬機.JVM爲每個新創建的線程都分配一個堆棧.也就是說,對於一個Java程序來說，它的運行就是通過對堆棧的操作來完成的。堆棧以幀爲單位保存線程的狀態。JVM對堆棧只進行兩種操作:以幀爲單位的壓棧和出棧操作。

　　我們知道,某個線程正在執行的方法稱爲此線程的當前方法.我們可能不知道,當前方法使用的幀稱爲當前幀。當線程激活一個Java方法,JVM就會在線程的 Java堆棧裏新壓入一個幀。這個幀自然成爲了當前幀.在此方法執行期間,這個幀將用來保存參數,局部變量,中間計算過程和其他數據.這個幀在這裏和編譯 原理中的活動紀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)是操作系統在建立某個進程時或者線程(在支持多線程的操作系統中是線程)爲這個線程建立的存儲區域，該區域具有先進後出的特性。

　　每一個Java應用都唯一對應一個JVM實例，每一個實例唯一對應一個堆。應用程序在運行中所創建的所有類實例或數組都放在這個堆中,並由應用所有的線程 共享.跟C/C++不同，Java中分配堆內存是自動初始化的。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存，在堆中分配的內存實際建立這個對象，而在堆棧中分配的內存只是一個指向這個堆對象的指針(引用)而已。

　　具體的說：

　　棧與堆都是Java用來在Ram中存放數據的地方。與C++不同，Java自動管理棧和堆，程序員不能直接地設置棧或堆。

　　Java的堆是一個運行時數據區,類的對象從中分配空間。這些對象通過new、newarray、anewarray和multianewarray等指 令建立，它們不需要程序代碼來顯式的釋放。堆是由垃圾回收來負責的，堆的優勢是可以動態地分配內存大小，生存期也不必事先告訴編譯器，因爲它是在運行時動 態分配內存的，Java的垃圾收集器會自動收走這些不再使用的數據。但缺點是，由於要在運行時動態分配內存，存取速度較慢。java中的對象和數組都存放在堆中。

　　棧的優勢是，存取速度比堆要快，僅次於寄存器，棧數據可以共享。但缺點是，存在棧中的數據大小與生存期必須是確定的，缺乏靈活性。棧中主要存放一些基本類型的變量（,int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和對象引用。

　　棧有一個很重要的特殊性，就是存在棧中的數據可以共享。假設我們同時定義：

　　int a = 3;

　　int b = 3；

　　編譯器先處理int a = 3；首先它會在棧中創建一個變量爲a的引用，然後查找棧中是否有3這個值，如果沒找到，就將3存放進來，然後將a指向3。接着處理int b = 3；在創建完b的引用變量後，因爲在棧中已經有3這個值，便將b直接指向3。這樣，就出現了a與b同時均指向3的情況。這時，如果再令a=4；那麼編譯器 會重新搜索棧中是否有4值，如果沒有，則將4存放進來，並令a指向4；如果已經有了，則直接將a指向這個地址。因此a值的改變不會影響到b的值。要注意這 種數據的共享與兩個對象的引用同時指向一個對象的這種共享是不同的，因爲這種情況a的修改並不會影響到b, 它是由編譯器完成的，它有利於節省空間。而一個對象引用變量修改了這個對象的內部狀態，會影響到另一個對象引用變量。

　　ps:關於c++的內存分配

　　一個由C/C++編譯的程序佔用的內存分爲以下幾個部分

　　1、棧區（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操作方式類似於數據結構中的棧。

　　2、堆區（heap） — 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收 。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似於鏈表，呵呵。

　　3、全局區（靜態區）（static）—，全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域。 – 程序結束後有系統釋放

　　4、文字常量區 —常量字符串就是放在這裏的。 程序結束後由系統釋放

　　5、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。

　　二、例子程序

　　這是一個前輩寫的，非常詳細

　　//main.cpp

　　int a = 0; 全局初始化區

　　char *p1; 全局未初始化區

　　main()

　　{

　　int b; 棧

　　char s[] = “abc”; 棧

　　char *p2; 棧

　　char *p3 = “123456″; 123456\0在常量區，p3在棧上。

　　static int c =0； 全局（靜態）初始化區

　　p1 = (char *)malloc(10);

　　p2 = (char *)malloc(20);

　　分配得來得10和20字節的區域就在堆區。

　　strcpy(p1, “123456″); 123456\0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的”123456″優化成一個地方。

　　}
原文：http://www.examda.com/Java/zhuanye/20100907/110421485.html