程序運行后性能總會下降？你應該先了解編程語言的內存布局與管理
引言
當今流行的編程語言，大多具備垃圾回收（Garbage Collection，以下簡稱GC）功能。它能夠將不再使用的內存區(qū)域收回并重新分配。
這一功能可以說，將程序員的注意力從內存的分配/釋放工作中解放了出來，可以專注于業(yè)務邏輯的實現(xiàn)。但這并不意味著說，程序員在寫代碼的時候就可以無所顧忌了。
因為他們面對的環(huán)境里，資源畢竟是有限的，而GC也不能包辦一切工作。尤其是程序需要運行時性能的時候，對代碼的編寫就有更高的要求了。
而在優(yōu)化程序性能時，也不能憑著猜想去實施，這就需要對編程語言的內存布局與管理有清楚的了解。這樣才能做到有的放矢，事半而功倍。
下面我們先從編譯技術的基本概念說起。
編譯技術
編譯器方式，這種方式是將代碼經(jīng)過預處理、編譯、匯編、鏈接之后，得到一個可執(zhí)行文件。這個文件里面包含的都是二進制的機器指令，它的優(yōu)點是程序執(zhí)行速度快，能將硬件性能充分發(fā)揮出來。
它的缺點則是編譯過程需要耗費時間，程序修改之后必須重新編譯才能使用。在早些年硬件性能不高的時候，編譯一個大型的程序需要一兩個小時是很平常的事。
此類語言的典型代表是C/C++，以及現(xiàn)在十分流行的Go語言。
解釋器方式，程序代碼直接運行在一個解釋器中，沒有編譯的過程。優(yōu)點則是可以立即運行，且可移植性好，代碼編寫一次即可在任何平臺上運行，而且預期效果也一樣。而編譯器方式則要麻煩的多，它需要為每一個平臺單獨編譯一次。
不過解釋器方式的缺點也同樣明顯，就是它的性能受限。畢竟是隔著一層解釋器去執(zhí)行，遠遠比不了翻譯成機器指令的二進制可執(zhí)行文件。
此類語言的代表則有python、ruby、php、javascript等。可以認為，腳本類語言都屬于解釋器方式執(zhí)行。
中間代碼方式，這是一種折衷式的方案，它會先對代碼有一次編譯過程，但不是編譯成可執(zhí)行文件，而是一份中間代碼。然后這份中間代碼會放到一個虛擬機里去執(zhí)行。以這樣的方式既獲得了良好的可移植性，也能夠擁有高于解釋器的速度。
java語言即是最佳代表。它會先編譯出一個字節(jié)碼文件，然后Java Virtual Machine（JVM）通過讀取字節(jié)碼來運行程序。
微軟的.NET也是類似的結構，它使用的是Common Language Runtime（CLR），以此支持多種語言。例如C#、VB.net等。
基礎知識
不論一個程序用何種語言編寫，它的運行時內存布局都是一致的。我們先從一個程序的三種基本內存區(qū)域說起。
靜態(tài)區(qū)：這個區(qū)域主要存放的是程序的全局變量、常量數(shù)據(jù)，以及編譯成二進制指令的代碼。可以看到，這個區(qū)域存放的，主要是貫穿于程序整個生命周期所要使用到的數(shù)據(jù)與指令。
棧區(qū)：熟悉數(shù)據(jù)結構的朋友們都知道，棧（stack）是一個后入先出（LIFO）的隊列。在程序運行中，它用來實現(xiàn)函數(shù)的調用。程序執(zhí)行函數(shù)調用時，會在棧上依次壓入?yún)?shù)，局部變量、返回位置等，執(zhí)行完成后再依次將數(shù)據(jù)出棧。所以，棧上的數(shù)據(jù)都是臨時性的，只在調用時可用。
堆區(qū)：所有動態(tài)申請的內存都從堆區(qū)分配。在使用C/C++語言時，程序員對待內存的申請與釋放就必須特別小心，一個疏忽就會造成內存泄漏。而后來的java、C#等，語言內置了GC技術，情況相對改善，但也要養(yǎng)成良好的編程習慣。
對于程序來說，靜態(tài)區(qū)和堆區(qū)都是全局存在的，即所有線程共享這二者。而棧區(qū)則是為每個線程單獨準備一個，這一點程序員要記住。因為棧區(qū)的數(shù)據(jù)在函數(shù)調用之后就會失效，如果還引用棧區(qū)的數(shù)據(jù)，則會產(chǎn)生不可預料的問題。
程序運行時內存布局
OOP語言的內存結構
因為現(xiàn)在市場上面向對象編程語言（OOP）占據(jù)主流地位，所以接下來的討論也將以OOP語言的典型內存結構進行講解。我們了解清楚對象的存儲區(qū)域，方法的調用之后，就會更加明白編程時應當注意哪些方面。
我們以使用較為廣泛的Java語言進行說明，先要厘清一個總是爭論不休的問題。就是Java語言中究竟有沒有指針？
Java中的一系列邏輯功能，都是通過對象的間的消息傳遞和方法調用來實現(xiàn)的。對象是實現(xiàn)功能的最小單元，而一個對象是怎么來的，它存放在哪里？
先看一段派生對象的代碼：
- MyCar one = new MyCar()
Java語言中的new的實質是動態(tài)創(chuàng)建內存，用以存放對象實例。根據(jù)上節(jié)的知識，我們知道new操作的結果是從堆區(qū)申請了一塊內存，它將這塊內存的地址返回，變量one就可以通過這個地址實現(xiàn)對象的操作了。
所以，變量one中存儲的不是對象本身，而是指向對象所在內存的地址。好吧，簡單說就兩個字：指針。在Java的術語體系里，它也叫引用。不過不管怎么稱呼，這種內存結構就是典型的指針式操作。
既然我們知道Java語言中所有的對象都生成在堆區(qū)，那么需要注意之處就來了：堆區(qū)的存儲空間是有限的，不能將運行時環(huán)境想象成內存無限的場景，要對自己使用的對象所占空間做到心中有數(shù)。
接下來還要注意的，就是對象復制的操作，示例代碼：
- MyCar one = new MyCar()
- MyCar two = one; one.SetSpeed(100);
- two.SetSpeed(0);
有了上面的知識，我們清楚地知道，MyCar two = one;這條語句并沒有復制一個對象給two變量，它和one指向的都是同一個對象實例。所以代碼執(zhí)行的結果，就是這輛車以百公里時速狂奔的下一秒就減速到零，想想都挺嚇人的吧。
方法表與屬性
那么，對象的方法代碼是存放在哪里呢？答案是在靜態(tài)區(qū)。因為方法是可以在編譯時就形成二進制指令的，因此編譯后放在靜態(tài)區(qū)就可以了。
類的信息是存放在靜態(tài)區(qū)的，它會包含一張方法表（有的語言中也稱為虛函數(shù)表）。方法表中的方法名實際上是一個函數(shù)指針，它在運行時是指向靜態(tài)區(qū)的方法代碼的。有了方法表，OOP語言就可以實現(xiàn)多態(tài)機制了。
這種方式可以節(jié)省程序存儲空間，所以從本質上說，所有的對象實例都是在共用同一段方法代碼。只是在調用時通過壓入不同的參數(shù)以實現(xiàn)對象個性化的操作。
對象的屬性變量又是存放在哪里？答案是在堆區(qū)，所以我們現(xiàn)在知道，一個對象實例里，屬性變量的大小決定了它實際占用的存儲空間。
需要注意的事項又來了：不要在類的聲明中，將屬性變量定義的過大。例如為了圖方便，定義個超大的數(shù)組。這樣帶來的問題，一是會影響對象生成的效率，因為動態(tài)分配一段大內存是很耗時的；二是會導致內存空間急劇減少。
GC的運行并不是實時清理的，它會有延時判斷策略，那么大量閑置的內存還來不及回收，新的對象又得不到可用空間，這只會降低程序的運行時性能了。
通過方法表，繼承結構也得以實現(xiàn)。對于超類中的方法，子類中無需再存儲相同的副本，它只要在自己的方法表中增加一條指向超類的方法引用即可。
對象通過方法表調用方法
GC會回收哪些對象實例？
通過上述幾節(jié)的知識，我們知道GC要處理的肯定是在堆區(qū)上動態(tài)分配的對象實例。那是不是有了這個原則，我們就可以高枕無憂了呢？并不是，這要從GC的回收原理上說起。
GC的實現(xiàn)基礎，必定是通過引用計數(shù)來判定對象是否被使用，未被使用的對象則會進入回收工作中。但是如果對象變量是在靜態(tài)區(qū)或者棧區(qū)，那么這個對象永遠都不會被回收。
靜態(tài)區(qū)的對象，在Java中就是以static定義的類變量。程序員對此一定要心中有數(shù)，一定要記住類變量生成的對象，它的生命周期是和程序本身一樣的。
而棧上所引用的對象，它的存活周期則和方法調用一致。也就是說如果方法退出，那么期間所產(chǎn)生的對象不再使用了，是會被回收的。
在多線程環(huán)境中，程序員要注意，如果一個方法是長期后臺運行的，則不要進行頻繁地創(chuàng)建對象的工作，以避免內存無法回收。
被棧區(qū)和靜態(tài)區(qū)引用的對象是不會被回收的
總結
經(jīng)過了解編程語言的內存布局與管理，我們發(fā)現(xiàn)還是有很多細節(jié)處不注意的話，很容易掉到坑里去的。那時候，代碼功能看著都正常，但程序運行一段時間后性能就下降。不得不來一次萬能的重啟以解決問題，這顯然不是最佳解決辦法。
所以，我將文中涉及到的注意事項，整理出來再列舉如下。希望可以幫助遇到性能問題的程序員們。
- 堆區(qū)的存儲空間是有限的，創(chuàng)建對象時要心中有數(shù)；
- 對象變量存儲的不是實例本身，而是指向堆區(qū)實例的指針；
- 類中屬性變量不要定義過大，避免出現(xiàn)超大數(shù)組；
- 堆區(qū)和棧區(qū)所引用的對象，是不會被GC所回收的。
