运行时的内存管理

前言

在上一篇总结 垃圾回收入门 中，我的本意是以了解垃圾回收相关概念为主，暂时忽略其他相关的概念。不过，这导致了有一些内容非常的模糊，容易引起疑惑。比如，是所有被创建的对象都需要回收吗？为什么在垃圾回收课题中会经常出现“堆区”的概念？对象在程序运行时到底是如何分配管理的？

对此，我又向前查找，阅读了《编译原理》第七章的1～4节，在这里再做一下简要总结，同时解答上面的几个疑惑。

运行时刻环境

程序语言中包含很多抽象概念，比如：名字(names)、作用域(scopes)、绑定(bindings)、数据类型(data types)、操作符(operators)、过程(procedures)、参数(parameters)和控制流构造(flow-of-control constructs)。编译器为了实现在计算机上支持这些概念，使得程序可以成功运行，需要创建并管理一个运行时刻环境(run-time environment)。

这个环境需要处理的事务如下：

• 为源程序中命名的对象分配空间、安排存储位置(the layout and allocation of storage locations for the objects named in the source program)
• 确定程序访问变量的机制(the mechanisms used by the target program to access variables)
• 过程间的连接(the linkages between procedures)
• 确定参数传递机制(the mechanisms for passing parameters)
• 实现对操作系统、输入/输出设备及其他程序的接口(the interfaces to the operating system, input/output devices, and other programs)

这里只关注第一个问题：为对象分配空间、安排存储位置

存储组织(Storage Organization)

程序在它的逻辑地址空间中运行，这个逻辑地址空间是由编译器、操作系统和计算机共同管理和组织的。

逻辑地址空间中的程序，在运行时刻的映像包含两部分：数据区(data areas)和代码区(program areas)。

某个语言在某个操作系统上，可能按照如下方式划分内存空间：

为了使运行时刻的空间利用率最大化，设计令堆区和栈区的空间对向增长

具体的空间使用如下表格：

区域	空间	存储内容
代码区	静态	生成的目标代码
静态区	静态	全局常量、一些编译器产生的数据
堆区	动态	具有长生命周期的数据、编译时不能确定大小的数据
栈区	动态	函数调用过程中产生的活动记录(activation records)

这里就可以看到，需要考虑动态回收空间的只有数据会动态变化的堆区和栈区，那么为什么垃圾回收只面向堆区呢？这就要详细了解一下栈区的特点了。

空间的栈式分配

看到“栈”，就很容易联想到数据结构中的“栈”。总之，它们都是一种适用先入后出(First In, Last Out)场景的结构。

为了理解程序对空间的栈式分配，这里需要以函数的嵌套调用为例，同时引入一个概念：活动记录(activation records)。

首先，看这段使用递归的方式实现的快速排序算法。

我们可以使用简单的函数调用活动序列来描述它：

接下来，把它完整递归过程抽象成一个树形结构，这个结构被称为活动树(Activation Tree)

那么：

• 函数的完整调用过程，和活动树的前序遍历对应
• 函数的完整返回过程，和活动树的后序遍历对应
• 某一次正在进行的函数调用，就对应活动树上的某一个结点。当前全部未结束（活跃的）的调用，就对应当前结点及其祖先节点；调用的顺序，就是从根结点到当前结点的路径；返回的路径，就是调用路径的反向。

活动树中的每一个节点，都对应着一次函数调用的活动记录，它可能包含的数据如下图所示：

图中最下方的位置是接近栈顶的位置，上方接近栈底

到这里，就可以看到，活动记录中，有一部分空间是分配给这一次函数调用的局部数据的。

整个嵌套调用流程的全部活动记录，是由一个称为控制栈(control stack)的运行时刻栈管理的。每一次函数调用的活动记录(activation record)，也可以被称为帧(frame)。

在进入某个函数时，其活动记录被压入栈顶；退出时，则相应的将其活动记录弹出栈顶，复用空间。在这个过程中，活动记录里的局部数据也随之消亡。

因此，虽然很多时候，现代程序设计语言中，将无法在编译时刻确定大小的数据放在堆区。但是，当一个对象完整的生命周期都在这个过程(procedure)的局部空间中完成，在局部中创建，在过程(procedure)退出后不需要再进行访问，那么就可以为这个对象在栈区分配空间，同时也不必再考虑其失效后单独回收空间的问题。

这也就是垃圾回收只需要面向堆区的原因。

以上。

参考

编译原理（第二版）[7.1～7.2]