[置顶] 数据结构复习笔记(Data Structures & Algorithms in Java, 4th) --Memory Management (Heap & Stack)

ref: http://www.ccs.neu.edu/home/cbw/5600/slides/8_Free_Space_and_GC.pptx

这篇文章主要是复习Java虚拟机(JVM)内存的简要介绍。在 JVM中，内存分别供程序代码（Program Code），栈（Stack），未使用的内存（Free Memory）及堆(Heap)使用，如下图。所以接下来，我们会依序介绍 JVM在进行内存管理时，需要使用的几个数据结构。

Stacks
在JVM中的 Stack，有 Java 方法栈（method stack）及运算栈（Operand stack），分别用来管理程序执行顺序、管理变量还有执行运算的结果。比如说当执行下面代码的时候：

public static void main(String[] args) {
int i = 15;
foo(i); // 假设这里 PC(Program Counter) = 14

}

private static void foo(int i) {
int k = 6;
bbb(k); // PC = 216
}

private static void bbb(int m) {  // PC = 320
k++;
}

在 Java 内存中其实是这样的：

一个方法在Method Stack需要 Frame来保存方法的Program Counter(PC) －保存著执行的内存位置及本地变量（Local Variables），而遇到程序内有子程序时，便另外产生一个Frame，并「压进（Push）」 Method Stack 中。直到需要执行时 PC自动加一，执行该内存地址的程序。另外，在这里要顺便介绍一下 Call-By-Value，它指的是目前的变量被当作方法参数传进被呼叫的方法里。简单的说，当使用 Call-By-Value的时候，如果参数是 primitive variable，那方法执行后，父方法的中的变量值依然不变；如果传进去的是一个对象，则对象内的值可以改变，所指向的内存位置则不能改变。例子如下： 

public static void main(String[] args) {
int i = 15;
foo(i);
int[] j = new int[2];
j[0] = 15;
System.out.println("Before calling foo: " + Arrays.toString(j));
foo(j);
System.out.println("After calling foo: " + Arrays.toString(j));
System.out.println("===========================================");
System.out.println("Before calling foo2: " + Arrays.toString(j));
foo2(j);
System.out.println("After calling foo2: " + Arrays.toString(j));
}

private static void foo2(int[] array) { // 此方法试图改变所指向的内存位置
array = new int[3];
array[0] = 1;
array[1] = 2;
array[2] = 3;
}

private static void foo(int[] array) { // 此方法改变数组对象的值
array[0] = 0;
}

运算桟（Operand Stack）负责的是一些数学运算功能，在这里用一简图代过：

Heap 内存管理
Java 程序里用 new　宣告产生的对象所使用的内存，便是从 Heap 中取得

int[] lists = new int[] // 所产生的对象在 Heap 内存区中

在JVM规范中要求 Heap 应要能快速的分配内存给新的对象，但没有明确规范要使用何种数据结构。free list 是维持可用内存常见的数据结构，它是链表（Linked List），分配、释放内存时，分别如下简图所示。

这种方式，便会产生内存碎片（Fragmentation）－即未被使用的内存片段分散在内存中，这样会导致使用内存时，计算机需要花费时间找到大小合适的区块或是一堆小块可用内存，但是却没一个符合我们需求的情况。

内存碎片（Fragmentation）
内存碎片有两种，一种是Internal Fragmentation指的是程序申请的内存大於实际的需求，比如说申请了大小为1000的数组，但是只使用了1000里面的其中5个。另一种为 External Fragmentation　指的是可用的内存散布在已使用的分存之间。

Heap的内存调用算法
best-fit algorithm：遍历找到大小最合适的可用内存块，理论上这算法可以帮我们减少碎片化，但是实际上却产生了更严重的碎片化问题,　因为碎片变得更细小了。
first-fit algorithm：使用 Free List 中第一个可用的内存块。优点是快，但是容易在 free list 前方产生许多内存碎片，未来在搜寻的时候便会降低速度。
next-fit algorithm：和 first-fit 差不多，但它不是从头开始找，它是从上次找到可用内存的地方开始往下一个找。next-fit 使碎片分布均匀，这样反而降低了调用大区块内存的效率。
worst-fit algorithm：使用最大的可用内存块。worst-fit 主要是用来解决 next-fit不容易找到大块内存的问题。