寫(xiě)了這么多代碼，你了解自己代碼的內(nèi)存消耗么？
[導(dǎo)讀]理解代碼的內(nèi)存消耗，最關(guān)鍵是要知道自己所用編程語(yǔ)言的內(nèi)存管理。不同語(yǔ)言的內(nèi)存管理不同的編程語(yǔ)言各自的內(nèi)存管理
理解代碼的內(nèi)存消耗，最關(guān)鍵是要知道自己所用編程語(yǔ)言的內(nèi)存管理。
不同語(yǔ)言的內(nèi)存管理
不同的編程語(yǔ)言各自的內(nèi)存管理方式。
- C/C 這種內(nèi)存堆空間的申請(qǐng)和釋放完全靠自己管理
- Java 依賴(lài)JVM來(lái)做內(nèi)存管理，不了解jvm內(nèi)存管理的機(jī)制，很可能會(huì)因一些錯(cuò)誤的代碼寫(xiě)法而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏或內(nèi)存溢出
- Python內(nèi)存管理是由私有堆空間管理的，所有的python對(duì)象和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都存儲(chǔ)在私有堆空間中。程序員沒(méi)有訪(fǎng)問(wèn)堆的權(quán)限，只有解釋器才能操作。
C 的內(nèi)存管理
以C 為例來(lái)介紹一下編程語(yǔ)言的內(nèi)存管理。如果我們寫(xiě)C 的程序，就要知道棧和堆的概念，程序運(yùn)行時(shí)所需的內(nèi)存空間分為 固定部分，和可變部分，如下：
固定部分的內(nèi)存消耗 是不會(huì)隨著代碼運(yùn)行產(chǎn)生變化的， 可變部分則是會(huì)產(chǎn)生變化的
更具體一些，一個(gè)由C/C 編譯的程序占用的內(nèi)存分為以下幾個(gè)部分：
- 棧區(qū)(Stack) ：由編譯器自動(dòng)分配釋放，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等，其操作方式類(lèi)似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。
- 堆區(qū)(Heap) ：一般由程序員分配釋放，若程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由OS收回
- 未初始化數(shù)據(jù)區(qū)(Uninitialized Data)：存放未初始化的全局變量和靜態(tài)變量
- 初始化數(shù)據(jù)區(qū)(Initialized Data)：存放已經(jīng)初始化的全局變量和靜態(tài)變量
- 程序代碼區(qū)(Text)：存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼
在可變部分中，棧區(qū)間的數(shù)據(jù)在代碼塊執(zhí)行結(jié)束之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回收，而堆區(qū)間數(shù)據(jù)是需要程序員自己回收，所以也就是造成內(nèi)存泄漏的發(fā)源地。
而Java、Python的話(huà)則不需要程序員去考慮內(nèi)存泄漏的問(wèn)題，虛擬機(jī)都做了這些事情
如何計(jì)算程序占用多大內(nèi)存
想要算出自己程序會(huì)占用多少內(nèi)存就一定要了解自己定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型的大小，如下：注意圖中有兩個(gè)不一樣的地方，為什么64位的指針就占用了8個(gè)字節(jié)，而32位的指針占用4個(gè)字節(jié)呢？
1個(gè)字節(jié)占8個(gè)比特，那么4個(gè)字節(jié)就是32個(gè)比特，可存放數(shù)據(jù)的大小為2^32，也就是4G空間的大小，即：可以尋找4G空間大小的內(nèi)存地址。
大家現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)一般都是64位了，所以編譯器也都是64位的。
安裝64位的操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存都已經(jīng)超過(guò)了4G，也就是指針大小如果還是4個(gè)字節(jié)的話(huà)，就已經(jīng)不能尋址全部的內(nèi)存地址，所以64位編譯器使用8個(gè)字節(jié)的指針才能尋找所有的內(nèi)存地址。
注意2^64是一個(gè)非常巨大的數(shù)，對(duì)于尋找地址來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠用了。
內(nèi)存對(duì)齊
再介紹一下內(nèi)存管理中另一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)：內(nèi)存對(duì)齊。不要以為只有C/C 才會(huì)有內(nèi)存對(duì)齊，只要可以跨平臺(tái)的編程語(yǔ)言都需要做內(nèi)存對(duì)齊，Java、Python都是一樣的。
而且這是面試中面試官非常喜歡問(wèn)到的問(wèn)題，就是：為什么會(huì)有內(nèi)存對(duì)齊？
主要是兩個(gè)原因
-
平臺(tái)原因：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪(fǎng)問(wèn)任意內(nèi)存地址上的任意數(shù)據(jù)，某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類(lèi)型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。為了同一個(gè)程序可以在多平臺(tái)運(yùn)行，需要內(nèi)存對(duì)齊。
-
硬件原因：經(jīng)過(guò)內(nèi)存對(duì)齊后，CPU訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的速度大大提升。
struct node{
int num;
char cha;
}st;
int main() {
int a[100];
char b[100];
cout << sizeof(int) << endl;
cout << sizeof(char) << endl;
cout << sizeof(a) << endl;
cout << sizeof(b) << endl;
cout << sizeof(st) << endl;
}
看一下和自己想的結(jié)果一樣么， 我們來(lái)逐一分析一下。
其輸出的結(jié)果依次為：
4
1
400
100
8
此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，和單純計(jì)算字節(jié)數(shù)的話(huà)是有一些誤差的。
這就是因?yàn)閮?nèi)存對(duì)齊的原因。
來(lái)看一下內(nèi)存對(duì)齊和非內(nèi)存對(duì)齊產(chǎn)生的效果區(qū)別。
CPU讀取內(nèi)存不是一次讀取單個(gè)字節(jié)，而是一塊一塊的來(lái)讀取內(nèi)存，塊的大小可以是2，4，8，16個(gè)字節(jié)，具體取多少個(gè)字節(jié)取決于硬件。
假設(shè)CPU把內(nèi)存劃分為4字節(jié)大小的塊，要讀取一個(gè)4字節(jié)大小的int型數(shù)據(jù)，來(lái)看一下這兩種情況下CPU的工作量：
第一種就是內(nèi)存對(duì)齊的情況，如圖：
內(nèi)存對(duì)齊一字節(jié)的char占用了四個(gè)字節(jié)，空了三個(gè)字節(jié)的內(nèi)存地址，int數(shù)據(jù)從地址4開(kāi)始。
此時(shí)，直接將地址4，5，6，7處的四個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)讀取到即可。
第二種是沒(méi)有內(nèi)存對(duì)齊的情況如圖：
非內(nèi)存對(duì)齊char型的數(shù)據(jù)和int型的數(shù)據(jù)挨在一起，該int數(shù)據(jù)從地址1開(kāi)始，那么CPU想要讀這個(gè)數(shù)據(jù)的話(huà)來(lái)看看需要幾步操作：
- 因?yàn)镃PU是四個(gè)字節(jié)四個(gè)字節(jié)來(lái)尋址，首先CPU讀取0，1，2，3處的四個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)
- CPU讀取4，5，6，7處的四個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)
- 合并地址1，2，3，4處四個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)才是本次操作需要的int數(shù)據(jù)
大家可能會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存對(duì)齊豈不是浪費(fèi)的內(nèi)存資源么？
是這樣的，但事實(shí)上，相對(duì)來(lái)說(shuō)計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源一般都是充足的，我們更希望的是提高運(yùn)行速度。
編譯器一般都會(huì)做內(nèi)存對(duì)齊的優(yōu)化操作，也就是說(shuō)當(dāng)考慮程序真正占用的內(nèi)存大小的時(shí)候，也需要認(rèn)識(shí)到內(nèi)存對(duì)齊的影響。
總結(jié)
不少同學(xué)對(duì)這方面的知識(shí)很欠缺，基本處于盲區(qū)，通過(guò)這一篇大家可以初步補(bǔ)齊一下這塊。之后也可以有意識(shí)的去學(xué)習(xí)自己所用的編程語(yǔ)言是如何管理內(nèi)存的，這些也是程序員的內(nèi)功。
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