內(nèi)存，以及編程語言如何管理內(nèi)存，是一個(gè)讓開發(fā)者們頭疼不已的問題。我們所寫的程序時(shí)刻不停地分配著內(nèi)存，但我們卻很難搞清楚，這一切到底是怎么發(fā)生的。

什么是內(nèi)存

存儲(chǔ)空間，正如它一開始所定義的，是我們存儲(chǔ)特定信息，以備之后使用的地方，這種存儲(chǔ)可能是永久的（直到我們手動(dòng)刪除），也可能是臨時(shí)的（直到電腦自動(dòng)刪除）。實(shí)際上，我們和電腦之間的每一次交互，都涉及信息的存儲(chǔ)。比如說，打開一個(gè)瀏覽器時(shí)，它的執(zhí)行步驟就從永久存儲(chǔ)（硬盤）加載到臨時(shí)存儲(chǔ)（內(nèi)存RAM）中。

主存儲(chǔ)，或者說 RAM，是電腦使用的內(nèi)部存儲(chǔ)空間，有別于 USB 、硬盤之類的外部存儲(chǔ)設(shè)備。電腦可以與內(nèi)存直接交互，所有程序也必須加載到內(nèi)存中才能執(zhí)行。有時(shí)，整個(gè)程序都會(huì)被加載到內(nèi)存中，也有時(shí)，只有程序的一部分（一個(gè)進(jìn)程）被加載到內(nèi)存中——這個(gè)機(jī)制被叫做動(dòng)態(tài)加載。如果這部分程序依賴于另一個(gè)程序，那么，還會(huì)有一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接機(jī)制建立起這個(gè)程序與主程序之間的關(guān)系。

內(nèi)存管理影響到電腦中的每一個(gè)程序，極為關(guān)鍵，因此，現(xiàn)代操作系統(tǒng)都有一套復(fù)雜的機(jī)制來完成這項(xiàng)工作。通過各個(gè)層次（硬件層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用軟件層）的協(xié)調(diào)與控制，確保內(nèi)存使用合理高效。

本文聚焦于操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件中內(nèi)存管理。在系統(tǒng)層，內(nèi)存管理主要涉及特定存儲(chǔ)塊（可以被理解為地址與空間）的分配；在應(yīng)用層，內(nèi)存管理主要涉及向系統(tǒng)發(fā)送內(nèi)存空間請(qǐng)求，以及確保程序定義的對(duì)象與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有足夠的存儲(chǔ)空間（內(nèi)存的分配、重新分配以及釋放）。

當(dāng)一個(gè)程序申請(qǐng)一段內(nèi)存時(shí)，一個(gè)“分配者”會(huì)負(fù)責(zé)將內(nèi)存分配給它，并在不再需要的時(shí)候釋放出來，以供重新分配。這個(gè)過程可以手動(dòng)控制，也可以自動(dòng)完成，主要取決于編程語言的特性以及程序員自己的選擇。

手動(dòng)內(nèi)存管理可以理解為程序員通過自己的代碼分配或釋放內(nèi)存。比較著名的，是 C 語言使用的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配技術(shù)。不過，得力于 ObjectiveC 和 Swift 的大力推廣，現(xiàn)在流行的大多數(shù)編程語言都通過垃圾回收器或自動(dòng)引用計(jì)數(shù)（ARC）實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)內(nèi)存管理。

內(nèi)存管理的陷阱

錯(cuò)誤的內(nèi)存操作會(huì)破壞內(nèi)存區(qū)塊的分配與釋放過程，導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果。從更高層面看，內(nèi)存區(qū)塊總是會(huì)恢復(fù)正常的，一個(gè)簡單的錯(cuò)誤似乎并沒有那么嚴(yán)重，但系統(tǒng)中總是同時(shí)運(yùn)行著成百上千個(gè)進(jìn)程，不可能都卡在那里，等著某個(gè)內(nèi)存區(qū)塊恢復(fù)正常。

于是，這些錯(cuò)誤會(huì)用光程序運(yùn)行所需的必要內(nèi)存空間，或者更糟糕的是，如果區(qū)塊被錯(cuò)誤地釋放或分配，區(qū)塊中存儲(chǔ)的敏感信息，比如密碼、密鑰或者其它隱私信息，會(huì)被攻擊者所竊取。

以下是錯(cuò)誤的內(nèi)存操作產(chǎn)生的常見后果：

算術(shù)或整數(shù)溢出（Arithmetic or integer overflows）

由于錯(cuò)誤的算術(shù)計(jì)算，原來分配的內(nèi)存區(qū)塊無法存儲(chǔ)最后的結(jié)果。比如說，一個(gè)程序可能定義了一個(gè)占用 8 位內(nèi)存的值，只能存儲(chǔ) -128 到 +127 之間的數(shù)字，假設(shè)程序先將這個(gè)數(shù)字賦值為 127，之后又加了 1，就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)預(yù)期外的結(jié)果，因?yàn)?8 位內(nèi)存空間無法存儲(chǔ) 128 這個(gè)值。

這個(gè) Bug 由 Brumley, Chiueh 和 Johnson 在 2012 年定義，具體描述是，“一個(gè)變量的值超出了機(jī)器存儲(chǔ)這個(gè)值所用字節(jié)的表示范圍”。產(chǎn)生這個(gè) Bug 的原因很多，比如向上溢出、向下溢出、數(shù)據(jù)截取、符號(hào)錯(cuò)誤等，主要是由于錯(cuò)誤定義的語句或整數(shù)操作，而程序員要定位問題往往很困難。不同語言處理這個(gè)問題的方式也不一樣——例如，Smalltalk 與 Scheme 會(huì)自動(dòng)升級(jí)變量類型，而其它一些語言則把問題留給程序員自己。

內(nèi)存泄露（Memory Leak）

如果一個(gè)程序一直向系統(tǒng)申請(qǐng)，但不釋放內(nèi)存——也就是說，告訴系統(tǒng)哪些內(nèi)存可以重新利用了——就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄露，程序最終會(huì)用完所有可用內(nèi)存。另外，如果程序中的某個(gè)對(duì)象被存儲(chǔ)在內(nèi)存中，但運(yùn)行中的代碼實(shí)際上已經(jīng)沒法訪問到它了，也會(huì)導(dǎo)致同樣問題。

段錯(cuò)誤（Segmentation faults）

當(dāng)某個(gè)程序訪問它沒有權(quán)限訪問的、另作它用的內(nèi)存空間，或者對(duì)某部分內(nèi)存執(zhí)行超越權(quán)限的操作，比如試圖對(duì)只讀內(nèi)容進(jìn)行寫操作時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致段錯(cuò)誤。段錯(cuò)誤可能導(dǎo)致程序掛起、崩潰或退出。

緩沖區(qū)溢出（Buffer overflows）

當(dāng)程序要寫入的內(nèi)容超過了被分配的空間長度，它繼續(xù)寫入到之后的，另作它用，或者沒有寫權(quán)限的內(nèi)存空間時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出。緩沖區(qū)溢出也會(huì)使程序掛起、崩潰或退出。

刪除錯(cuò)誤（Double delete）

當(dāng)程序試圖刪除一個(gè)已經(jīng)被刪除的對(duì)象，因而導(dǎo)致堆污染或者段錯(cuò)誤時(shí)，就叫刪除錯(cuò)誤。刪除錯(cuò)誤也可以認(rèn)為是段錯(cuò)誤的一個(gè)子集。

手動(dòng) VS 自動(dòng)內(nèi)存管理

對(duì)程序員來說，最常見的內(nèi)存問題就是如何操作內(nèi)存的問題——如果說系統(tǒng)可以把內(nèi)存分配給程序，那么，程序所使用的編程語言是手動(dòng)還是自動(dòng)完成內(nèi)存分配的呢？以及更重要的，這種分配方式會(huì)導(dǎo)致什么結(jié)果呢？

手動(dòng)內(nèi)存管理是指在特定語言中，程序員必須通過自己的代碼來管理內(nèi)存，與之相對(duì)地，自動(dòng)內(nèi)存管理是指程序員不需要或基本不需要執(zhí)行什么動(dòng)作來操作內(nèi)存。我們這里所說的“操作”和“管理”，是指申請(qǐng)、重新分配內(nèi)存，或者釋放掉我們認(rèn)為已經(jīng)成為“垃圾”的內(nèi)存空間。

直到上世紀(jì) 90 年代中期，主流編程語言都支持手動(dòng)內(nèi)存管理，即使在今天也依然如此（以關(guān)鍵詞 “new” 或 “alloc” 的形式）。不過，這僅僅是因?yàn)閷?duì)象創(chuàng)建，也就是為對(duì)象分配內(nèi)存的過程很容易而已——程序員在創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)候，可以清楚地知道對(duì)象的大小、名稱以及初始化過程。然而，銷毀對(duì)象就困難多了，由于銷毀過程往往在對(duì)象創(chuàng)建很久之后才觸發(fā)，程序員可能并不知道對(duì)象的大小。更麻煩的是，程序員可能也不知道具體在哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)應(yīng)該銷毀對(duì)象，很有可能，軟件中的某部分代碼依然在使用這個(gè)對(duì)象。

如之前所說，如果不能正確地初始化或銷毀對(duì)象，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存錯(cuò)誤。編程語言如何處理內(nèi)存錯(cuò)誤取決于它的具體實(shí)現(xiàn)：大多情況下，內(nèi)存錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致“未定義行為（undefined behavior）”——也就是說，說不準(zhǔn)會(huì)發(fā)生什么。（注意，在準(zhǔn)確的手動(dòng)內(nèi)存管理下，一切都是確定的，程序員總是清楚一個(gè)對(duì)象什么時(shí)候被創(chuàng)建或被銷毀。）

1959 年，一個(gè)內(nèi)存管理的新概念——垃圾回收——被引入 Lisp 編程語言。垃圾回收是自動(dòng)內(nèi)存管理中最著名的一個(gè)例子，通過垃圾回收，之后不再使用的對(duì)象會(huì)被銷毀，空間會(huì)被釋放。這種技術(shù)減少了 Bug，提高了內(nèi)存管理水平。垃圾回收的具體實(shí)現(xiàn)采用了多種策略，包括對(duì)象追蹤、引用計(jì)數(shù)、時(shí)間戳、心跳等。

其它自動(dòng)內(nèi)存管理技術(shù)包括基于棧的內(nèi)存管理（stack-based memory allocation）、基于作用域的內(nèi)存管理（region-based memory management）、自動(dòng)引用計(jì)數(shù)（ARC）等。不過，這些技術(shù)都存在一些性能問題，也帶來了某種不確定性，因?yàn)槌绦騿T并不能準(zhǔn)確地知道對(duì)象是在什么時(shí)候被銷毀的。

當(dāng)然，手動(dòng)內(nèi)存管理與自動(dòng)內(nèi)存管理都還被今天的編程語言廣泛應(yīng)用：前者以 C 語言家族為代表，后者以 Lisp、Java 以及其它眾多語言為代表。事實(shí)上，大多數(shù)語言都混合使用這兩種技術(shù)：如前文所說，通過手動(dòng)方式分配內(nèi)存，通過垃圾回收技術(shù)釋放內(nèi)存。

結(jié)論

如我們所見，電腦幫助人類解決復(fù)雜問題的方式，讓程序員有一種“宇宙之主”的感覺。我們也注意到，這個(gè)宇宙存在著種種規(guī)則和限制，其中一個(gè)，就是內(nèi)存總是有限的。不過，正如哈姆雷特所說，作為程序員，我們依然可以“藏身果殼之中，而把自己看作擁有無限疆域的君王?！?/p>