6.5. 局部内存¶

6.5.1. 局部内存¶

6.5.1.1. 内存的分配与释放¶

局部变量是人人都使用却没有人去思考的程序结构。在初次掌握语法时，你还会稍微想想它们。但几周之后，变量用起来是如此自动化，你很快就忘了去思考它们是如何工作的。这种情况要归功于现代编程语言—大多数时候，变量在你需要它们时自动出现，在你用完时自动消失。对于基础编程来说，这是很好的情形。然而，对于高级编程来说，了解变量如何工作将会很有用。

变量代表计算机内存中的存储空间。每个变量在源代码中都呈现为一个方便的名字，比如 length 或 sum 。在运行时的幕后，每个变量使用计算机内存中的一块区域来存储它的值。程序中的每个变量并非都拥有一块永久分配的内存。相反，现代语言很聪明，只在必要时才把内存交给变量。术语上，当一个变量被给予一块内存来存储其值时，就称这个变量被分配了。在变量处于已分配状态期间，它可以按通常的方式作为变量运作并保存值。当系统从变量那里收回内存、使它不再拥有存储值的区域时，就称这个变量被释放了。对一个变量而言，从分配到释放之间的这段时间称为它的生存期。在一个程序内，程序中能够看到并访问该变量的那些部分就是它的作用域。

你最常使用的变量是函数内的局部变量，比如下面这个函数中的变量 num 和 result 。所有局部变量和参数合在一起，称为该函数的局部存储，或简称其 "局部量"（locals）。

Java
Java (泛型)

// Local storage example
int Square(int num) {
  int result;
  result = num * num;
  return result;
}

// Local storage example
int Square(int num) {
  int result;
  result = num * num;
  return result;
}

这些变量被称为 "局部的"，是为了表达这样一个概念：它们的生存期与声明它们的函数绑定在一起。函数每次运行时，它的局部变量都会被分配。函数退出时，它的局部量就被释放。对于上面的例子，这意味着当调用 Square() 函数时，会为 num 和 result 分配局部存储。函数中像 result = num * num; 这样的语句会使用这些局部存储。当函数最终退出时，它的局部存储被释放。

下面是局部存储规则的更详细版本：

函数被调用时，会为它的所有局部量分配内存。换句话说，当控制流到达函数的起始符号 { 时，它的所有局部量都被分配了内存。上例中像 num 这样的参数和像 result 这样的局部变量都算作局部量。参数与局部变量唯一的区别是：参数以从调用方复制来的值开始，而局部变量以初始值开始。我们的例子大多使用简单的 int 变量，但局部分配适用于任何类型，包括数组和引用变量。这些类型同样可以在局部进行分配。
只要控制线程仍位于所属函数之内，局部量的内存就会持续处于已分配状态。即使函数通过调用另一个函数而暂时让出控制线程，局部量也会继续存在。在整个过程中，局部量不受干扰地存在着。
最后，当函数结束并退出时，它的局部量被释放。这合理吗？假设局部量以某种方式继续存在—代码又怎么引用它们呢？像 num 和 result 这样的名字本来就只在 Square() 的函数体内才有意义。一旦控制流离开该函数体，即使局部量仍处于已分配状态，也没有办法再引用它们了。局部量只在所属函数之内可用（"scoped"，有作用域）这一性质，称为词法作用域。现在几乎所有的语言都是这样做的。

下面是局部存储生存期的一个简单例子。

Settings

Saving...

Server Error
Resubmit

下面是一个更大的例子，它展示了 "局部量在所属函数开始运行时被分配、在其退出时被释放" 这条简单规则如何构建出更复杂的行为。你需要牢固掌握局部分配的工作方式，才能理解后续模块中的内容。下面的幻灯片展示了当函数 X() 两次调用函数 Y() 时所产生的分配与释放序列。

Settings

Saving...

Server Error
Resubmit

幻灯片展示了局部量被分配和释放的先后顺序。注意在幻灯片中，我们是怎样把函数被调用时创建的局部变量 "堆叠" 起来的。这实际上就是任何编程语言的运行时环境实现局部变量的典型方式。局部变量被包含在一个称为运行时栈的结构中。实际上，幻灯片展示的正是执行这个例子的过程中，运行时栈随时间的运作情况。

6.5.1.2. 局部参数¶

局部变量与它们的函数紧密关联—它们只在那里使用，在其他任何地方都不使用。只有 X() 的代码可以引用它的 a 和 b 。只有 Y() 的代码可以引用它的 p 和 q 。局部存储的这种独立性，既是其优点的根源，也是其缺点的根源。

6.5.1.3. 局部量的优点¶

局部量能够很好地满足程序 90% 的内存需求：

方便。局部量满足一种方便的需要—函数常常需要一些只在函数计算期间存在的临时内存。局部变量恰好提供了这种临时、独立的内存。
高效。与其他内存使用技术相比，局部量是高效的。分配和释放它们在时间上是高效的（快速），而且它们使用与回收内存的方式在空间上也是高效的。
局部副本。局部参数基本上是来自调用方信息的局部副本。这也称为按值传递。参数是局部变量，通过来自调用方的赋值操作 = 来初始化。在指针的意义上，调用方并没有与被调用方 "共享" 参数值—被调用方得到的是它自己的副本。这样做的好处是，被调用方可以修改自己的局部副本而不影响调用方。（比如上例中的 p 参数。）这种独立性是件好事，它使调用方函数和被调用方函数的运作相互分离，符合良好软件工程的规则—让独立的组件尽可能互不依赖。

6.5.1.4. 局部量的缺点¶

局部量有两个缺点：

生存期短。它们的分配与释放时机（即 "生存期"）非常严格。有时程序需要一块内存，即使最初分配它的函数已经退出，这块内存仍要继续保持已分配状态。局部变量无法做到这一点，因为它们会在所属函数退出时被自动释放。这个问题将在后面的一节中用堆内存来解决。
通信受限。由于局部量是调用方参数的副本，它们不提供从被调用方回传给调用方的通信手段。这是 "独立性" 这一优点的另一面—它并不总是优点。此外，有时出于其他原因，复制值也并不可取。我们将在下一个模块中看到这个问题的解决方案。

6.5.1.5. "局部" 的同义词¶

局部变量也被称为自动变量，因为它们的分配与释放作为函数调用机制的一部分是自动完成的。局部变量有时也被称为栈变量，因为在低层次上，语言几乎总是用内存中的栈结构来实现局部变量。

6.5.1.6. 局部内存小结¶

局部量对它们所承担的工作来说非常方便—为函数提供方便而高效的内存，且只在函数执行期间存在。局部量有两个不足，我们将在后面的小节中解决—函数如何向调用方回传信息，以及函数如何分配一块生存期约束更少的独立内存。

6.5.1.7. 函数调用栈是如何工作的？¶

要正确使用局部变量，你并不需要知道它们在函数调用期间是如何实现的；但如果你好奇，这里给出大致的步骤。实现的确切细节因语言和编译器而异。不过，下面描述的基本结构接近于许多不同系统和语言所采用的方法。

要调用像 foo(6, x+1) 这样的函数：

在调用方的上下文中求实际参数表达式的值，比如 x+1 。
通过把一个大小合适的 "局部块" 内存压入专用于此目的的运行时调用栈，为 foo() 的局部量分配内存。对于参数（而非局部变量），把第 (1) 步得到的值存入 foo() 局部块中相应的槽位。
保存调用方当前的执行地址（其 "返回地址"），并把执行切换到 foo() 。
foo() 开始执行，其局部块就方便地位于调用栈的末端。
foo() 完成后，通过把它的局部量弹出栈而退出，并使用先前保存的返回地址 "返回" 调用方。此时调用方的局部量又位于栈的末端，它可以继续执行。

对于特别好奇的读者，这里还有一些关于函数调用过程的杂项说明：

这就是无限递归会导致 "Stack Overflow Error"（栈溢出错误）的原因—代码不断地调用再调用，反复经历步骤 (1) (2) (3)、(1) (2) (3)，却永远到不了步骤 (4) 。最终，调用栈的内存真的会被耗尽。
这就是局部变量具有基于其类型的特定初始值的原因。第 (2) 步只是用一个操作把整个局部块压入。每个局部量都有自己的内存区域，但内存中存放的是上一个 "住户" 留下的任何东西。这些值会被清除，并为所有局部量赋一个默认初始值。
"局部块" 也称为函数的活动记录或栈帧。整个块可以在一次 CPU 操作中压入栈（第 2 步）|---| 这是一个非常快的操作。为什么可以用一次 CPU 操作完成？因为压入活动记录对任何编程语言来说都是如此基础的操作，以至于 CPU 设计者为它提供了直接支持。
在多线程环境中，每个线程都有自己的调用栈，而不是只有一个全局调用栈。
出于性能原因，一些语言让部分参数通过寄存器传递、其余通过栈传递，因此整体过程比较复杂。不过，变量的表面生存期始终遵循这里介绍的 "栈" 模型。

CSci 2101 数据结构

第 6 章 Java 指针引论