本節是操作系統系列教程的第三篇文章，屬于操作系統第一章即基礎篇，在真正開始操作系統相關章節前在這一部分回顧一些重要的主題，以下是目錄，由于本文篇幅較多因此會按上篇、中篇、下篇三次發布，目錄中黑體為本篇內容。

什么是內存

C/C++內存模型

**堆區與棧區的本質

**

**Java、Python等內存模型

**

**Java內存模型

**

**Jave中的堆區與棧區是如何實現的

**

Python內存模型

指針與引用

進程的內存模型

幻想大師-操作系統

總結

堆與棧的本質是什么

在編程語言中，堆區和棧區本質上都是內存，因此二者在本質上沒有任何區別，只不過這兩塊內存的使用方式是不一樣的。

在數據結構與算法中，我們也有堆和棧的概念，但那里指的不是內存，而是兩種數據結構。

你可能會想，我們為什么要費盡心力的提出堆和棧這兩個概念呢？之所以需要區分兩種內存用法，根源在于： 內存是有限的 。

如果計算機內存是無限的，那么我們根本就不用這么麻煩的給內存劃分兩個區域，在其中的一個區域中這樣使用內存，另一區域那樣使用內存，這些都是不需要的。即使在今天PC內存普遍都在8G、16G，這依然是不夠的，因此我們需要合理的來安排內存的使用，堆和棧就是為達到這一目的而采用的技術。

你會發現棧其實是一種非常巧妙的內存使用方法。函數調用完成后，函數運行過程中占用的內存就會被釋放掉，這樣，只要程序員代碼寫的合理(棧幀不至于過大)，那我們程序就可以一直運行下去，而不會出現內存不足的現象。程序員在棧區不需要擔心內存分配釋放問題，因為這一切都是自動進行的。而如果程序員想自己控制內存，那么可以選擇在堆上進行內存分配。因此這里提供了兩種選擇，一種是“自動的”，一種是“手動的”，目的都是在合理使用內存的同時提供給程序員最大的靈活性。

堆和棧是計算機科學中很優秀的設計思想，這種設計思想充分的體現了計算機如何合理且靈活的使用有限資源。

堆區和棧區對C/C++程序員來說就是實實在在的內存，而對于Java、Python等語言的程序員來說又該如何理解內存呢?

Java、Python等內存模型

當Java、Python等語言的程序在執行時其解釋器的內存布局同樣如下圖所示，我們之前講過，解釋器也是一個C/C++程序，因此這里的代碼段包含的是解釋器的實現代碼而不是Java、Python等代碼，這一點大家一定要注意。

"C/C++程序員面對的是實實在在的物理內存，Java、Python等程序面對的是解釋器。"

C/C++分配內存是直接在物理內存中進行的，而Java、Python等程序是將內存分配請求交給解釋器，解釋器再去物理內存上進行分配。希望大家務必理解這一點。

Java、Python等程序員是看不到如下圖所示的內存布局的，因為這一切都是解釋器才能看到的，解釋器對Java、Python等程序員屏蔽了這些。Java、Python等程序員也無需關心解釋器的內存布局。

Java、Python等程序的一大優點就是內存的自動化管理，而C/C++程序員需要自己來管理從堆上分配的內存。內存管理這一項工作在Java、Python等程序中被解釋器接管了，解釋器的這項功能被稱為“垃圾回收器”。

在非C/C++語言中，我們來看兩個有代表性的語言，首先我們看一下Java。

Java內存模型

Java的內存模型中同樣有棧和堆這樣的概念，如下圖所示，在Java函數中我們定義的內置數據類型比如int a = 0，是直接存放在棧上的，引用類型，也就是用new關鍵字定義的變量是分配在堆上的。和C/C++一樣，每個Java函數在執行時都有自己的棧幀。隨著函數的調用，棧不斷的擴大。當函數調用完畢后棧幀被回收，在堆上分配的變量依然可以被后續函數使用。Java程序員無需像C/C++程序員一樣需要關心內存回收的問題，這一切都是Java的解釋器JVM來管理的。

在用法上Java中的堆和棧和C/C++是一樣的，只不過Java程序員無需關心內存的釋放問題。但是好奇的同學可能會問，C/C++中的堆和棧我已經清楚了，因為C/C++程序運行時在內存中的樣子已經在《C/C++內存模型》這一小節中詳細的講述了，那么Java中的堆和棧在內存中是什么樣子的呢，就是和上圖一樣嗎？要回答這個問題，就要涉及到Java中的堆和棧是如何實現的。

Java中的堆和棧是如何實現的

如果你自己設計過一門語言的話，你應該會很清楚這個問題。

我們先回答上一節中提到的問題，那就是Java中的堆和棧就是如上圖所示的那樣嗎？是這樣的，作為Java程序員在寫代碼時腦海里有上面這張圖基本上就夠用了。但是，Java中的堆和棧不同于C/C++當中的堆和棧。

我們已經知道Java中的內存管理其實是解釋器JVM來搞定的，作為C/C++程序，JVM的內存布局就如下圖所示。

一般情況下，當JVM運行一個Java函數時需要在堆上創建出Java函數的棧幀，然后把這些棧幀放入棧中(這里的棧指的是具有先進后出性質的數據結構)。希望大家不要被這句話繞暈，這里出現了兩個“棧”，但是含義完全不同。

• Java棧幀：指的是上圖中我們看到的棧。

• 棧幀放入到棧：我們在數據結構課程中都學過棧，棧有push和pop兩種操作，把棧幀放入棧指的是把棧幀push到JVM所持有的棧這種數據結構當中，以此來模擬C/C++程序執行過程中函數棧幀先進后出的這種性質，當一個Java函數被執行完畢后，JVM pop掉該函數的棧幀。

  如果你想在代碼級別來理解這個過程，大體上可以參考下面的代碼，注意JVM是C/C++程序，這里的代碼是一個極其簡單的描述。你可以看到如何組織棧幀完全是JVM設計者來決定的，只要棧幀具備先進后出的性質就可以。

void RunJavaFunction(JVM* jvm， string javaFunction) {


    // 在堆上申請一塊空間，用于存放java棧幀
    stackFrame* frame = (stackFrame*) malloc(sizeof(stackFrame));

    // 把要使用的棧幀push到JVM的函數調用棧中
    jvm->stack->push(frame);

    // 在申請的棧幀上執行Java函數
    run(javaFunction, frame);

    // 執行完畢后pop掉該函數棧幀
    jvm->stack->pop();
}

JVM會在自己的堆中為用new修飾的對象創建內存，這里的堆就是如上圖所示的堆，是可以要記住JVM是一個C/C++程序，JVM看到的堆才是如上圖所示的那樣。所以你會發現，一般情況下， Java中的棧和Java對象都是JVM在自己的堆上分配出來的 ，這就是Java中堆和棧是如何實現的。

在講解完Java的內存模型后，我們來看一下Python的。

Python內存模型

Python的內存模型和Java其實是類似的，Java程序員腦海中的那張圖同樣適用于Python程序員。

Python語言中的解釋器比較多，比如CPython，PyPy等，在這里我們以Python默認的解釋器CPython為例來說明，我們已經知道了解釋器其實也是一個C程序，CPython也不例外，下圖左側就是我們已經熟悉的C/C++內存布局，我們把堆區放大，如下圖右側所示。我們可以看到Python的解釋器把自己的堆區劃分成了兩部分，分別是Object-specific memory區域，以及Python core區域：

Object-specific memory這個區域專門用來存放PyObject。你也許已經知道了，Python中所有的數據類型比如int，dict，str等都是一個對象，叫做PyObject。當我們在Python中創建一個變量比如dict時，CPython就會在堆區的上半部分(Object-specific memory)中分配一塊內存，創建一個PyObject，這個PyObject用來存放我們的dict。

Python core：所有非PyObject的內存請求都在這里分配的。

所以你會發現，Python中所有的內存同樣是解釋器在自己的堆上分配的。