JVM学习（2）——技术文章里常说的堆，栈，堆栈到底是什么，从os的角度总结
俗話說，自己寫的代碼，6個月后也是別人的代碼……復習！復習！復習！涉及到的知識點總結如下：
- 堆棧是棧
- JVM棧和本地方法棧劃分
- Java中的堆，棧和c/c++中的堆，棧
- 數據結構層面的堆，棧
- os層面的堆，棧
- JVM的堆，棧和os如何對應
- 為啥方法的調用需要棧
屬于月經問題了，正好碰上有人問我這類比較基礎的知識，無奈我自覺回答不是有效果，現在深入淺出的總結下：
前一篇文章總結了：JVM 的內存主要分為3個分區- 堆區（Heap）-- 只存對象（數組）本身（引用類型的數據），不存基本類型和對象的引用。JVM只有一個堆區，這個“堆”是動態內存分配意義上的堆——用于管理動態生命周期的內存區域。JVM的堆被同一個JVM實例中的所有Java線程共享，它通常由某種自動內存管理機制所管理，這種機制通常叫做“垃圾回收”（garbage collection，GC）。JVM規范并不強制要求JVM實現采用哪種GC算法。
- 棧區（Stack）-- 棧中只保存基礎數據類型的對象和對象引用。每個線程一個棧區，每個棧區中的數據都是私有的，其他棧不能訪問。棧內有幀（方法調用會生成棧幀）分三個部分：基本類型變量區，執行環境上下文，操作指令區。
- 方法區 -- 又叫靜態區，跟堆一樣，被所有線程共享。方法區包含所有的class和static變量。方法區包含的都是在整個程序中永遠唯一的元素。如：class，satic。
? 堆棧是啥？是堆還是棧？
? 之前初學c++的時候被人誤導過，說堆棧是堆……其實這個是翻譯的誤讀，堆棧，其實應該翻譯成棧更合適，和堆區分開來，因為英文的stack就是堆棧的意思,?位于RAM（Random Access Memory，隨機訪問存儲區），速度僅次于寄存器。存放基本變量和引用，存在棧中的數據可以共享。但是，棧中的數據大小和生存周期必須確定，這是棧的缺點。
堆棧不是堆，是棧。堆是存放了所有的java對象（逃逸分析除外）。
本地方法棧和JVM棧是如何劃分的？ JVM規范寫到：每個Java線程擁有自己的獨立的JVM棧，也就是Java方法的調用棧。同時JVM規范為了允許native代碼可以調用Java代碼，以及允許Java代碼調用native方法，還規定每個Java線程擁有自己的獨立的native方法棧。都是JVM規范所規定的概念上的東西，并不是說具體的JVM實現真的要給每個Java線程開兩個獨立的棧。以Oracle JDK / OpenJDK的HotSpot VM為例，它使用所謂的“mixed stack”——在同一個調用棧里存放Java方法的棧幀與native方法的棧幀，所以每個Java線程其實只有一個調用棧，融合了JVM規范的JVM棧與native方法棧這倆概念。如之前文章1的結構圖：
數據結構層面的堆和棧 數據結構里面。??
stack，中文翻譯為堆棧，其實指的是棧，這里講的是數據結構的棧，不是內存分配里面的堆和棧。棧是先進后出的數據的結構，好比你碟子一個一個堆起來，最后放的那個是堆在最上面的。
??棧數據結構比較簡單。heap翻譯為堆，是??一種有序的樹。
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JVM的堆，棧和c、c++的堆、棧一樣么？ 回答這個問題之前，先得回答程序運行時的內存分配策略，編譯原理的理論認為：程序運行的內存分配有三個策略：- 靜態存儲分配：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(如可變數組)，也不允許有嵌套或者遞歸的結構出現。因為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：也叫動態存儲分配，和靜態存儲分配相反，棧就是暫時！在棧式存儲方案中，存儲的都是局部變量，臨時變量，比如基本數據類型，對象引用……從內存的分配角度來看，因為存儲的是基本的數據類型，編譯器事先已經知道了類型的大小，故直接可以進行有效的內存分配，比如int，計算機是知道其范圍的，所以直接由系統分配在棧中，無需程序自己去申請xxx內存！而引用類型，比如自己定義一個類，很明顯這個類是不知道大小的，應該有程序自己來申請內存空間，所以由堆來分配！棧分配模式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，才能夠為其分配內存。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后出的原則進行分配。?
- 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閑塊組成，堆中的內存可以按照任意順序分配和釋放。
因此我們斷定：堆主要用來存放對象，棧主要是用來執行程序的。而這種不同又主要是由于堆和棧的特點決定的:?例如C/C++……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，就好像工廠中的傳送(conveyor belt)帶一樣，Stack Top Pointer 會自動指引你放東西的位置，你所要做的只是把東西放下來就行。退出函數的時候，修改棧頂指針就可以把棧中的內容銷毀。這樣的模式速度最快，當然要用來運行程序了。
現在言歸正傳，之前的文章1已經總結了——JVM是基于堆棧的虛擬機。每一個JVM實例都為每個新創建的線程分配一個棧，而多個線程共享唯一一個堆區，也就是說,對于一個Java程序來說，它的運行就是通過對棧的操作來完成的。棧以幀為單位保存線程的狀態。JVM對棧只進行兩種操作:以幀為單位的壓棧和出棧操作。當某個線程正在執行某個方法時，我們就稱此線程為當前方法，而當前方法使用的幀稱為當前幀。當線程要調用一個Java方法時，JVM就會先在線程的Java棧里新壓入一個幀。這個幀自然成為了當前幀。在此方法執行期間，這個幀將用來保存方法的形參，局部變量，中間計算過程和其他數據……這個幀在這里和編譯原理中的活動紀錄的概念是差不多的。
好了，羅嗦了半天，從這個棧式分配機制來看，?？梢赃@樣理解:棧(Stack)是os在建立某個進程或者線程(在支持多線程的操作系統中是線程)時，為這個（進程）線程建立的存儲區域，該區域具有先進后出的特性。棧中的新加數據項放在其他數據的頂部，移除時你也只能移除最頂部的數據（不能越位獲取）。類似這個紙：
再說堆，每一個JVM的實例有且只有一個堆，這個唯一的堆被全局的線程共享！程序在運行中所創建的所有類實例或數組都放堆中，并由應用所有的線程共享。堆中的數據項位置沒有固定的順序，你可以以任何順序插入和刪除，因為他們沒有“頂部”數據這一概念。如圖：
跟C/C++不同，Java中分配堆內存是自動化管理的（Java虛擬機的自動垃圾回收器來管理，缺點是，由于要在運行時動態分配內存，存取速度較慢）Java中所有對象的存儲空間都是在堆中分配，但對象引用是在棧中分配，而堆中分配的內存才是實際的這個對象本身，棧中分配的內存只是一個指向這個對象的指針(引用)變量而已(變量的取值等于數組或對象在堆內存中的首地址)。而c++的堆內存管理，需要程序員手動管理的，new，delete運算符……
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內存管理中的棧分配方法有什么特點？優缺點又是什么？
首先想到就是該快內存FILO的特性，還有經過前面這么羅嗦的嗶嗶，又得出一個結論：棧中的數據可以共享。
int a = 3; int b = 3; 編譯器先處理int a = 3; 會在棧中創建一個變量為a的引用，然后查找棧中是否有3這個值，如果沒找到，就將3存放進來，然后將a指向3。接著處理int b = 3; 在創建完b的引用變量后，因為在棧中已經有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; 那么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，并令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，因為這種情況a的修改并不會影響到b, 它是由編譯器完成的，它有利于節省空間。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。
優點：速度快，不用管理內存，缺點是太小，方法調用過度，容易內存溢出，還有棧就是暫時，數據有生命周期，屬于臨時存儲。
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站在實際的計算機物理內存的角度上看，棧和堆在哪兒?
在通常情況下由操作系統（OS）和語言的運行時（runtime）控制嗎？
它們的作用范圍是什么？
它們的大小由什么決定？
哪個更快？
回答這個問題之前，必須先知道內存管理的機制根據不同的編譯器和處理器架構的不同而不同！為了幫助理解，先總結幾個原理：
什么是局部性原理?
os的教科書這樣寫到局部性原理：CPU訪問存儲器時，無論是存取指令還是存取數據，所訪問的存儲單元都趨于聚集在一個較小的連續區域中。?
我是這樣理解的：計算機的存儲系統從小到大，分為寄存器，一級緩存，二級緩存，三級緩存，內存，磁盤……而寄存器是CPU存放計算數據的地方，CPU要工作了，需要數據或者地址，先從一級緩存里面找，找不到就從二級緩存里面找，二級找不到就去三級找……假如找到磁盤才有了目標數據，那么該數據就會先放入內存，再存入三級緩存、二級緩存、一級緩存，最后存入寄存器，才能被CPU使用?？梢哉f，一級緩存是寄存器的緩存，二級緩存是一級緩存的緩存，三級緩存是二級緩存的緩存……下面一層是上面一層的緩存。而局部性原理，通俗的說就是因為CPU的運轉速度非常非?？?#xff01;是高速存儲的！而磁盤和內存之間的存取速度很慢（I/O瓶頸繞不開……），如果CPU需要的數據更多的在磁盤，內存……這樣會花非常多的等待時間，故我們就設置了高速緩存！當CPU頻繁的用了某塊數據，計算機會遇見性的把它及其附近地址上的數據都存入高速緩存內，因為預判這些數據再次被用到的可能性很大，計算機就把它們存到越接近寄存器的層次，也就是cpu所訪問的數據，都趨于集中在一個較小的連續區域中，這也才是緩存的真正意義。那么，現在的問題就變為回答：
計算機怎樣才能判斷一個數據接下來可能被用到？
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- 時間局部性：如果一個數據正在被訪問，那么在近期它很可能還會被再次訪問。這當然是正確的，用過的數據當然可能再次被用到。
- 空間局部性：在最近的將來將用到的信息很可能與現在正在使用的信息在空間地址上是臨近的，正在使用的這個數據地址旁邊的數據，當然也是很可能被用到的。比如數組什么的……
哦了。前面幾個問題已經得出這樣的結論：棧和堆都是用來從底層操作系統中獲取內存的。在多線程環境下每一個線程都可以有他自己完全的獨立的棧，但是他們共享堆。并行存取被堆控制而不是棧。
- 堆:包含一個鏈表來維護已用和空閑的內存塊。
在堆上新分配（用 new 或者 malloc）內存是從空閑的內存塊中找到一些滿足要求的合適塊。這個操作會更新堆中的塊鏈表。這些元信息也存儲在堆上，經常在每個塊的頭部一個很小區域。堆增加新塊通常從低地址向高地址擴展，也就是說堆是向上增長的！因此可以認為堆隨著內存分配而不斷的增加大小。如果申請的內存大小很小的話，通常從底層操作系統中得到比申請大小要多的內存。申請和釋放許多小的塊可能會產生如下狀態：在已用塊之間存在很多小的浪費的空閑塊……進而導致申請大塊內存失敗，雖然空閑塊的總和足夠，但是空閑的小塊是零散的，不能滿足申請的大小，這叫做“內存碎片”。當旁邊有空閑塊的已用塊被釋放時，新的空閑塊可能會與相鄰的空閑塊合并為一個大的空閑塊，這樣可以有效的減少“碎片”的產生。
堆的管理依賴于運行時環境，C 使用 malloc ，free，C++ 使用 new 和delete，但是很多語言有垃圾回收機制，比如Java的GC。
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棧:棧經常與 sp 寄存器一起工作，最初 sp 指向棧頂（棧的高地址）。棧是向下增長的！
CPU 用 push 指令來將數據壓棧，用 pop 指令來彈棧。當用 push 壓棧時，sp 值減少（向低地址擴展）。當用 pop 彈棧時，sp 值增大。存儲和獲取數據都是 CPU 寄存器的值。
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- 當函數被調用時，CPU使用特定的指令把當前的 IP 壓棧，接下來將調用函數的地址賦給 IP，讓cpu去調用函數。當函數返回時，舊的 IP 被彈棧，CPU 繼續去函數調用之前的代碼。
- 當進入函數時，sp 向下擴展，擴展到確保為函數的局部變量留足夠大小的空間。如果函數中有一個 32-bit 的局部變量會在棧中留夠四字節的空間。當函數返回時，sp 通過返回原來的位置來釋放空間。
- 如果函數有參數的話，在函數調用之前，會將參數壓棧。函數中的代碼通過 sp 的當前位置來定位參數并訪問它們。
- 函數嵌套調用，每一次新調用的函數都會分配函數參數，返回值地址、局部變量空間、嵌套調用的活動記錄都要被壓入棧中。函數返回時，按照正確方式的撤銷。
棧要受到內存塊的限制，不斷的函數嵌套……為局部變量分配太多的空間，可能會導致棧溢出。當棧中的內存區域都已經被使用完之后繼續向下寫（低地址），會觸發一個 CPU 異常。這個異常接下會通過語言的運行時轉成各種類型的棧溢出異常?？偟膩碚f，棧以更低層次的特性與處理器架構緊密的結合到一起，當堆不夠時可以擴展空間。但是，擴展棧通常來說是不可能的，因為在棧溢出的時候，執行線程就被操作系統關閉了，這已經太晚了。
? 現在可以回答這幾個問題：
在通常情況下由操作系統（OS）和語言的運行時（runtime）控制嗎？
? 如前所述，堆和棧是一個統稱，可以有很多的實現方式。計算機程序通常有一個棧叫做調用棧，用來存儲當前函數調用相關的信息（比如：主調函數的地址，局部變量），因為函數調用之后需要返回給主調函數。棧通過擴展和收縮來承載信息。實際上，程序不是由運行時來控制的，它由編程語言、操作系統甚至是系統架構來決定。堆是在任何內存中動態和隨機分配的（內存的）統稱；也就是無序的。內存通常由操作系統分配，通過應用程序調用 API 接口去實現分配。在管理動態分配內存上會有一些額外的開銷，不過這由操作系統來處理。
它們的作用范圍是什么？
調用棧是一個低層次的概念，就程序而言，它和“作用范圍”沒什么關系。就高級語言而言，語言有它自己的范圍規則。一旦函數返回，函數中的局部變量會直接釋放。在堆中，也很難去定義。作用范圍是由操作系統限定的，但是編程語言可能增加它自己的一些規則，去限定堆在應用程序中的范圍。體系架構和操作系統是使用虛擬地址的，然后由處理器翻譯到實際的物理地址中，還有頁面錯誤等等。它們記錄那個頁面屬于那個應用程序。不過你不用關心這些，因為你僅僅在編程語言中分配和釋放內存，和一些錯誤檢查（出現分配失敗和釋放失敗的原因）。
它們的大小由什么決定？
依賴于語言，編譯器，操作系統和架構。棧通常提前分配好了，因為棧必須是連續的內存塊。語言的編譯器或者操作系統決定它的大小。不要在棧上存儲大塊數據，這樣可以保證有足夠的空間不會溢出，除非出現了無限遞歸的情況或者其它。堆是任何可以動態分配的內存的統稱。它的大小是變動的。在現代處理器中和操作系統的工作方式是高度抽象的，因此你在正常情況下不需要擔心它實際的大小，除非你必須要使用你還沒有分配的內存或者已經釋放了的內存。
哪個更快一些？
棧更快因為所有的空閑內存都是連續的，因此不需要對空閑內存塊通過列表來維護。只是一個簡單的指向當前棧頂的指針。編譯器通常用一個專門的、快速的寄存器SP來實現。更重要的一點是，隨后的棧上操作會遵循局部性原理。
JVM的棧如何對應os？
以linux 中一個進程的虛擬內存分布為例：
圖中0號地址在最下邊，越往上內存地址越大。以32位操作系統為例，一個進程可擁有的虛擬內存地址范圍為0-2^32。分為兩部分，一部分留給kernel使用(kernel virtual memory)，剩下的是進程本身使用， 即圖中的process virtual memory。普通Java 程序使用的就是process virtual memory。上圖中最頂端的一部分內存叫做user stack. 這就是棧stack，32位的棧頂指針寄存器是esp，中間有 runtime heap。就是堆，注意他們和數據結構里的stack 和 heap 不是一回事。前面總結了，stack 是向下生長的，heap是向上生長的。當程序進行函數調用時，每個函數都在stack上有一個 call frame（幀）。
小結，總結了那么多，現在最后一個問題：為啥方法的調用需要棧 其實確切的說：并不是方法的調用需要用棧來實現，而是它設計成用棧實現！我們知道，各個方法的活動記錄（即局部或者自動變量）被分配在棧上， 這樣做不但存儲了這些變量，而且可以用來嵌套方法的追蹤。因為我們經過觀察可以知道，方法的調用過程是這樣的： 1，計算參數，傳參
2，保存方法的返回地址
3，控制轉移至callee
4，保存必要的caller現場
以上一些步驟之間的順序是可變的，但理論上并沒有哪個步驟是必須用棧來實現的。理論上如果有很多寄存器，我們完全可以拋棄棧，然而實際上我們并沒有，所以從現實的角度來說，棧是一個適合的實現方法，簡單說就是方法調用的局部數據的存活時間滿足“先進后出（FILO）”的順序，之所以用棧來記錄是因為棧的基本操作正好就是支持這種順序的訪問。而堆是無法實現的。
?文章總結參考資料：《Java編程思想》、《現代操作系統》，《深入理解計算機系統》、《現代編譯原理》，《深入理解Java虛擬機》、《JVM規范 7》、知乎、stackoverflow……
from:?https://yq.aliyun.com/articles/49204?spm=5176.100239.blogcont27348.11.v0xllM
總結
以上是生活随笔為你收集整理的JVM学习（2）——技术文章里常说的堆，栈，堆栈到底是什么，从os的角度总结的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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