程序运行后性能总会下降？你应该先了解编程语言的内存布局与管理

引言

当今流行的编程语言，大多具备垃圾回收（Garbage Collection，以下简称GC）功能。它能够将不再使用的内存区域收回并重新分配。

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这一功能可以说，将程序员的注意力从内存的分配/释放工作中解放了出来，可以专注于业务逻辑的实现。但这并不意味着说，程序员在写代码的时候就可以无所顾忌了。

因为他们面对的环境里，资源毕竟是有限的，而GC也不能包办一切工作。尤其是程序需要运行时性能的时候，对代码的编写就有更高的要求了。

而在优化程序性能时，也不能凭着猜想去实施，这就需要对编程语言的内存布局与管理有清楚的了解。这样才能做到有的放矢，事半而功倍。

下面我们先从编译技术的基本概念说起。

编译技术

编译器方式，这种方式是将代码经过预处理、编译、汇编、链接之后，得到一个可执行文件。这个文件里面包含的都是二进制的机器指令，它的优点是程序执行速度快，能将硬件性能充分发挥出来。

它的缺点则是编译过程需要耗费时间，程序修改之后必须重新编译才能使用。在早些年硬件性能不高的时候，编译一个大型的程序需要一两个小时是很平常的事。

此类语言的典型代表是C/C++，以及现在十分流行的Go语言。

解释器方式，程序代码直接运行在一个解释器中，没有编译的过程。优点则是可以立即运行，且可移植性好，代码编写一次即可在任何平台上运行，而且预期效果也一样。而编译器方式则要麻烦的多，它需要为每一个平台单独编译一次。

不过解释器方式的缺点也同样明显，就是它的性能受限。毕竟是隔着一层解释器去执行，远远比不了翻译成机器指令的二进制可执行文件。

此类语言的代表则有python、ruby、php、javascript等。可以认为，脚本类语言都属于解释器方式执行。

中间代码方式，这是一种折衷式的方案，它会先对代码有一次编译过程，但不是编译成可执行文件，而是一份中间代码。然后这份中间代码会放到一个虚拟机里去执行。以这样的方式既获得了良好的可移植性，也能够拥有高于解释器的速度。

java语言即是最佳代表。它会先编译出一个字节码文件，然后Java Virtual Machine（JVM）通过读取字节码来运行程序。

微软的.NET也是类似的结构，它使用的是Common Language Runtime（CLR），以此支持多种语言。例如C#、VB.net等。

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基础知识

不论一个程序用何种语言编写，它的运行时内存布局都是一致的。我们先从一个程序的三种基本内存区域说起。

静态区：这个区域主要存放的是程序的全局变量、常量数据，以及编译成二进制指令的代码。可以看到，这个区域存放的，主要是贯穿于程序整个生命周期所要使用到的数据与指令。

栈区：熟悉数据结构的朋友们都知道，栈（stack）是一个后入先出（LIFO）的队列。在程序运行中，它用来实现函数的调用。程序执行函数调用时，会在栈上依次压入参数，局部变量、返回位置等，执行完成后再依次将数据出栈。所以，栈上的数据都是临时性的，只在调用时可用。

堆区：所有动态申请的内存都从堆区分配。在使用C/C++语言时，程序员对待内存的申请与释放就必须特别小心，一个疏忽就会造成内存泄漏。而后来的java、C#等，语言内置了GC技术，情况相对改善，但也要养成良好的编程习惯。

对于程序来说，静态区和堆区都是全局存在的，即所有线程共享这二者。而栈区则是为每个线程单独准备一个，这一点程序员要记住。因为栈区的数据在函数调用之后就会失效，如果还引用栈区的数据，则会产生不可预料的问题。

程序运行时内存布局

OOP语言的内存结构

因为现在市场上面向对象编程语言（OOP）占据主流地位，所以接下来的讨论也将以OOP语言的典型内存结构进行讲解。我们了解清楚对象的存储区域，方法的调用之后，就会更加明白编程时应当注意哪些方面。

我们以使用较为广泛的Java语言进行说明，先要厘清一个总是争论不休的问题。就是Java语言中究竟有没有指针？

Java中的一系列逻辑功能，都是通过对象的间的消息传递和方法调用来实现的。对象是实现功能的最小单元，而一个对象是怎么来的，它存放在哪里？

先看一段派生对象的代码：

 
 
 

  
  
  
MyCar one = new MyCar() 
 
 
 

Java语言中的new的实质是动态创建内存，用以存放对象实例。根据上节的知识，我们知道new操作的结果是从堆区申请了一块内存，它将这块内存的地址返回，变量one就可以通过这个地址实现对象的操作了。

所以，变量one中存储的不是对象本身，而是指向对象所在内存的地址。好吧，简单说就两个字：指针。在Java的术语体系里，它也叫引用。不过不管怎么称呼，这种内存结构就是典型的指针式操作。

既然我们知道Java语言中所有的对象都生成在堆区，那么需要注意之处就来了：堆区的存储空间是有限的，不能将运行时环境想象成内存无限的场景，要对自己使用的对象所占空间做到心中有数。

接下来还要注意的，就是对象复制的操作，示例代码：

 
 
 

  
  
  
MyCar one = new MyCar() 
  
  
  
MyCar two = one; one.SetSpeed(100); 
  
  
  
two.SetSpeed(0); 
 
 
 

有了上面的知识，我们清楚地知道，MyCar two = one;这条语句并没有复制一个对象给two变量，它和one指向的都是同一个对象实例。所以代码执行的结果，就是这辆车以百公里时速狂奔的下一秒就减速到零，想想都挺吓人的吧。

方法表与属性

那么，对象的方法代码是存放在哪里呢？答案是在静态区。因为方法是可以在编译时就形成二进制指令的，因此编译后放在静态区就可以了。

类的信息是存放在静态区的，它会包含一张方法表（有的语言中也称为虚函数表）。方法表中的方法名实际上是一个函数指针，它在运行时是指向静态区的方法代码的。有了方法表，OOP语言就可以实现多态机制了。

这种方式可以节省程序存储空间，所以从本质上说，所有的对象实例都是在共用同一段方法代码。只是在调用时通过压入不同的参数以实现对象个性化的操作。

对象的属性变量又是存放在哪里？答案是在堆区，所以我们现在知道，一个对象实例里，属性变量的大小决定了它实际占用的存储空间。

需要注意的事项又来了：不要在类的声明中，将属性变量定义的过大。例如为了图方便，定义个超大的数组。这样带来的问题，一是会影响对象生成的效率，因为动态分配一段大内存是很耗时的；二是会导致内存空间急剧减少。

GC的运行并不是实时清理的，它会有延时判断策略，那么大量闲置的内存还来不及回收，新的对象又得不到可用空间，这只会降低程序的运行时性能了。

通过方法表，继承结构也得以实现。对于超类中的方法，子类中无需再存储相同的副本，它只要在自己的方法表中增加一条指向超类的方法引用即可。

对象通过方法表调用方法

GC会回收哪些对象实例？

通过上述几节的知识，我们知道GC要处理的肯定是在堆区上动态分配的对象实例。那是不是有了这个原则，我们就可以高枕无忧了呢？并不是，这要从GC的回收原理上说起。

GC的实现基础，必定是通过引用计数来判定对象是否被使用，未被使用的对象则会进入回收工作中。但是如果对象变量是在静态区或者栈区，那么这个对象永远都不会被回收。

静态区的对象，在Java中就是以static定义的类变量。程序员对此一定要心中有数，一定要记住类变量生成的对象，它的生命周期是和程序本身一样的。

而栈上所引用的对象，它的存活周期则和方法调用一致。也就是说如果方法退出，那么期间所产生的对象不再使用了，是会被回收的。

在多线程环境中，程序员要注意，如果一个方法是长期后台运行的，则不要进行频繁地创建对象的工作，以避免内存无法回收。

被栈区和静态区引用的对象是不会被回收的

总结

经过了解编程语言的内存布局与管理，我们发现还是有很多细节处不注意的话，很容易掉到坑里去的。那时候，代码功能看着都正常，但程序运行一段时间后性能就下降。不得不来一次万能的重启以解决问题，这显然不是最佳解决办法。

所以，我将文中涉及到的注意事项，整理出来再列举如下。希望可以帮助遇到性能问题的程序员们。

• 堆区的存储空间是有限的，创建对象时要心中有数；
• 对象变量存储的不是实例本身，而是指向堆区实例的指针；
• 类中属性变量不要定义过大，避免出现超大数组；
• 堆区和栈区所引用的对象，是不会被GC所回收的。

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