内存管理

内容包括:

  • C++内存管理
  • Java内存管理

C++内存管理

内存分配方式

在C++中,内存分成5个区,分别是栈、堆、自由存储区、全局(静态、全局)、常量区。

   : 存放函数参数以及局部变量,在出作用域时,将自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但分配的内存容量有限。
   : new分配的内存块(包括数组,类实例等),需delete手动释放。如果未释放,在整个程序结束后,OS会帮你回收掉。
自由存储区 : malloc分配的内存块,需free手动释放,它和堆有些相似。
全局/静态区 : 全局变量(global)和静态变量(static)存于此处。(在以前的C语言中,全局变量又分为初始化的和未初始化的,C++不分)
常量存储区 : 常量(const)存于此处,此存储区不可修改。

栈和堆的区别

主要区分有以下几点
(1).管理方式:对于栈来讲,是由编译器自动管理,无需我们手工控制;对于堆来说,释放工作由程序员控制,容易产生memory leak。

(2).空间大小:一般来讲在32位系统下,堆内存可以达到4G的空间,从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲,一般都是有一定的空间大小的,例如,在VC6下面,默认的栈空间大小是1M(好像是,记不清楚了)。

(3).碎片问题:对于堆来讲,频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低。对于栈来讲,则不会存在这个问题,因为栈是先进后出的队列,他们是如此的一一对应,以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出,详细的可以参考数据结构,这里我们就不再一一讨论了。

(4).生长方向:对于堆来讲,生长方向是向上的,也就是向着内存地址增加的方向;对于栈来讲,它的生长方向是向下的,是向着内存地址减小的方向增长。

(5).分配方式:堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。栈有2种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行释放,无需我们手工实现。

(6).分配效率:栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的,它的机制是很复杂的,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法(具体的算法可以参考数据结构/操作系统)在堆内存中搜索可用的足够大小的空间,如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多),就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间,这样就有机会分到足够大小的内存,然后进行返回。显然,堆的效率比栈要低得多。

Java内存管理

内存分配方式

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干不同的数据区域,这些区域都有各自的用途以及创建和销毁的时间。Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域,如下图所示:

Java运行时数据区

程序序计数器
    程序计数器,可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里,字节码解释器工作就是通过改变程序计数器的值来选择下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都要依赖这个计数器来完成。
    多线程中,为了让线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间互不影响、独立存储,因此这块内存是 线程私有 的。
    当线程正在执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是在正在执行的虚拟机字节码指令的地址;当执行的是Native方法,这个计数器值为空。此内存区域是唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域 。

Java虚拟机栈
    Java虚拟机栈也是线程私有的 ,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链表、方法出口信息等。每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
    局部变量表中存放了编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈
    本地方法栈与虚拟机的作用相似,不同之处在于虚拟机栈为虚拟机执行的Java方法服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。有的虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。会抛出stackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆
    Java堆是所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建,此内存区域的唯一目的就是存放对象实例 。
    Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。由于现在收集器基本采用分代回收算法,所以Java堆还可细分为:新生代和老年代。从内存分配的角度来看,线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB)。
    Java堆可以处于物理上不连续的内存空间,只要逻辑上连续的即可。在实现上,既可以实现固定大小的,也可以是扩展的。如果堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法完成扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区
    方法区是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据 。
    相对而言,垃圾收集行为在这个区域比较少出现,但并非数据进了方法区就永久的存在了,这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。当方法区无法满足内存分配需要时,将抛出OutOfMemoryError异常。
    运行时常量池是方法区的一部分,它用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

直接内存
    直接内存不是虚拟机运行时数据区的一部分,在NIO类中引入一种基于通道与缓冲区的IO方式,它可以使用Native函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。
    直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制,但是会受到本机内存大小的限制,所有也可能会抛OutOfMemoryError异常。

参考文献
(1).C++-内存管理(整理笔记)
(2).Java内存管理原理及内存区域详解

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