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 _编程

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。
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。

文章插图

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。

文章插图

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。
【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】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。

文章插图
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？