计算机内存管理：栈、堆、静态存储区与代码区

在计算机内存管理中，数据的存储位置取决于它们的生命周期、大小、访问方式和用途。

通常，内存分为以下几部分：栈（stack）、堆（heap）、静态存储区（data segment） 和 代码区（text segment）。不同的数据存储在不同的区域，每种存储方式有其特定的优缺点。

1. 栈（Stack）

栈是计算机中一种按照“后进先出”（LIFO, Last In First Out）原则进行管理的内存区域。在栈上分配的内存通常存储的是局部变量和函数调用信息。

1.1 存储的内容

1、局部变量

每个函数调用时创建的局部变量（包括基本数据类型和指向其他数据结构的指针）。这些变量在函数调用时分配，函数返回时销毁。

function exampleFunction() {
  let localVar = 10; // 局部变量
  console.log('Local variable value:', localVar);
}

exampleFunction(); // 调用函数

2、函数的参数

当调用一个函数并传递参数时，这些参数会被存储在栈上。每次函数调用时，栈会为传递的参数分配内存，函数结束时会销毁这些参数。

function exampleFunction(x, y) {
  // 函数参数
  console.log('Sum:', x + y);
}

exampleFunction(5, 7); // 传递参数 5 和 7

当调用 exampleFunction(5, 7) 时，参数 x 和 y 的值（5 和 7）会被压入栈中。栈上为 x 和 y 分配内存，它们存储值 5 和 7。函数执行完成后，栈中的参数会被销毁。 

3、函数的返回地址

在 JavaScript 中，通常看不到“返回地址”的显式表示，但它是存在的。每次函数调用时，栈上会存储函数执行完后应该跳转回的代码位置，即函数的“返回地址”。

function exampleFunction() {
  console.log('In function!');
}
function main() {
  exampleFunction(); // 调用函数
  console.log('Back to main!');
}

main();

当  exampleFunction() 被调用时，栈会存储返回地址，即 main 函数中调用  exampleFunction() 后的下一条指令 console.log('Back to main!')。当 exampleFunction 执行完毕后，程序会根据栈中存储的返回地址，跳转 main 函数的后续代码继续执行。

1.2 优缺点

1、优点

• 访问速度快：栈采用的是顺序分配内存，访问速度非常快。
• 内存管理简单：栈的内存管理非常简单，由操作系统或编程语言运行时自动管理，无需程序员显式释放。
• 内存分配和回收自动：函数调用结束时，栈上分配的内存会自动回收。

2、缺点

• 空间有限：栈的空间是有限的，过多的递归调用或大量的局部变量可能导致栈溢出（Stack Overflow）。
• 生命周期短：栈上分配的内存随着函数的调用和返回而变化，生命周期非常短，适合存储短期数据。

1.3 为什么存放在栈上？

栈上分配的数据生命周期较短，随着函数的调用和返回自动管理，存放在栈上不仅能提高访问速度，还能简化内存管理（无需手动分配和释放）。

2. 堆（Heap）

堆是用于动态分配内存的区域，主要用于存储动态创建的对象、数据结构和其他需要手动控制生命周期的数据。

2.1 存储的内容

1、动态分配的内存

当创建一个对象、数组或其他复杂的数据结构时，内存是动态分配的。这意味着它们的内存位置是在程序运行时动态决定的，而不是在编译时静态分配的。

let obj = { name: "Alice", age: 25 };  // 动态创建的对象
let arr = [1, 2, 3, 4];  // 动态创建的数组

这些对象和数组会被存储在堆内存中，因为它们的大小和生命周期是动态变化的。

2、动态创建的对象

通过 new 关键字创建的对象、数组、正则表达式等，都是在堆内存中存储的。堆内存为动态分配的对象提供足够空间，因为这些对象的大小和生命周期是动态的，不能提前知道。

let person = new Object();  // 动态创建对象
let date = new Date();  // 动态创建对象

这些对象在堆中存储，它们的生命周期由垃圾回收机制控制。也就是说，直到没有任何变量引用这些对象，垃圾回收器才会回收它们。 

2.2 优缺点

1、优点

• 灵活性：堆允许动态地分配和释放内存，可以在运行时根据需要调整内存大小。
• 内存空间大：堆的内存空间通常较大，不像栈那样受限于函数调用的深度，可以存储大量数据。

2、缺点

• 分配和回收较慢：堆的内存分配通常比栈慢，因为需要进行内存管理（查找合适的空闲内存块，可能会导致内存碎片）。
• 需要手动管理：堆上的内存需要程序员显式地管理（例如：free、delete），否则可能会导致内存泄漏或悬空指针。
• 可能导致内存碎片：由于内存是动态分配的，长期运行的程序可能会导致堆内存碎片化，从而影响性能。

2.3 为什么存放在堆上？

堆用于存储生命周期不确定或动态大小的数据。允许程序在运行时动态分配内存，适合存储需要跨多个函数或更长时间存在的数据。

3. 静态存储区（Data Segment）

静态存储区是程序在运行时分配的一个区域，用于存储全局变量、静态变量、常量等数据。

3.1 存储的内容

1、全局变量

全局变量是程序中定义在函数外部的变量，它的生命周期从程序开始直到程序结束。

let globalVar = 10; // 全局变量

function exampleFunction() {
  console.log(globalVar); // 访问全局变量
}

exampleFunction(); // 输出 10
console.log(globalVar); // 输出 10

globalVar 是一个全局变量，它在程序开始时分配内存，直到程序结束才销毁。无论在哪个函数中都可以访问 globalVar，它的值在整个程序的生命周期内都存在。

2、静态变量

在 JavaScript 中，虽然没有 C/C++ 中的 static 关键字，但可以通过一些方法模拟静态变量的行为。静态变量的特点是，它们的值在多次函数调用之间保持不变。

模拟静态变量

function exampleFunction() {
  if (!exampleFunction.count) {
    exampleFunction.count = 0; // 初始化静态变量
  }
  exampleFunction.count++; // 递增静态变量
  console.log(exampleFunction.count);
}

exampleFunction(); // 输出 1
exampleFunction(); // 输出 2
exampleFunction(); // 输出 3

通过将 count 属性挂载到函数 exampleFunction 上模拟静态变量的行为。count 变量在多次调用 exampleFunction 之间保持其值，即它不会在每次函数调用时被重置。count 的生命周期与 exampleFunction 函数绑定，即在整个程序运行期间它都存在。

3、常量

常量是不可修改的值，在 JavaScript 中可以使用 const 关键字来声明常量。在整个程序的生命周期中都存在，并且它的值在程序执行过程中始终保持不变。

const PI = 3.14159; // 常量

function calculateArea(radius) {
  return PI * radius * radius; // 使用常量
}

console.log(calculateArea(5)); // 输出 78.53975

​​3.2 优缺点

1、优点

• 生命周期长：静态存储区中的数据在程序运行的整个过程中都存在，生命周期长。
• 内存访问快：静态存储区的内存访问速度通常较快，适合存储程序中长时间需要的全局或常量数据。

2、缺点

• 内存占用固定：静态存储区的大小在编译时就已经确定，无法动态调整，因此可能会造成内存浪费。
• 不适合动态数据：静态存储区中的数据不能像堆一样动态分配和调整。

3.3 为什么存放在静态存储区？

静态存储区用于存储程序运行时始终存在的数据，例如全局变量和常量，这些数据的生命周期与程序的生命周期相同，程序中需要访问这些数据时，不必重新分配内存，能提高效率。

4. 代码区（Text Segment）

代码区存储程序的机器指令，即编译后的代码。它是只读的，因此程序无法修改自己的指令。

4.1 存储的内容

1、程序代码

所有的函数、方法以及控制逻辑都存储在代码区。这个区域是只读的，确保程序中的代码不会被意外修改。程序执行时，这些函数和方法的机器指令会被加载到内存中。

function greet(name) {
  return `Hello, ${name}!`; // 这是存储在代码区的函数
}

console.log(greet('Alice')); // 输出：Hello, Alice!

greet 函数本身存储在代码区。在程序启动时，JavaScript 引擎会将 greet 函数的代码加载到内存中，并在调用时执行。

无论我们在程序中调用多少次 greet 函数，代码区中的指令始终保持不变，因为代码区是只读的，确保程序的代码不会被修改。

2、只读数据（常量字符串）

字符串文字（例如" Hello, World "）和常量字符串通常存储在代码区，因为它们是不可修改的，只在程序中读取。

const greetingMessage = 'Hello, World!'; // 常量字符串

function displayGreeting() {
  console.log(greetingMessage); // 输出存储在代码区的字符串
}

displayGreeting(); // 输出：Hello, World!

greetingMessage 是一个常量字符串，它的值 'Hello, World!' 存储在代码区，因为字符串是只读的，在程序执行过程中不可被修改。而 greetingMessage 作为常量在栈上进行访问。

3、字符串常量和字面量存储

JavaScript 字符串常量是不可变的，并且通常会被优化为存储在代码区，以减少内存的使用并提高性能。

let str1 = 'OpenAI';
let str2 = 'OpenAI';

console.log(str1 === str2); // 输出 true，表示这两个字符串指向相同的内存位置

str1 和 str2 被存储在代码区的只读区域。在许多 JavaScript 引擎中，这两个变量会指向同一块内存，因为它们的值相同且不可变。这体现了 JavaScript 引擎的优化机制，它会共享常量字符串，减少内存占用。

4.2 优缺点

1、优点

• 访问效率高：代码区中的数据和指令是程序的一部分，通常被频繁访问，处理速度较快。
• 只读保护：由于代码区是只读的，防止程序在运行时修改自己的代码，有助于避免潜在的安全问题。

2、缺点

• 不可修改：代码区的数据不可修改，因此无法进行动态代码生成或修改。

4.3 为什么存放在代码区？

程序的指令是不可修改的，它们必须存储在一个只读区域，以保证程序的执行不被篡改并避免错误。

5. 数据存储位置的总结对比

存储区域	存储内容	生命周期	访问速度	管理方式	优点	缺点
栈（Stack）	局部变量、函数参数、返回地址	函数调用期间	快	自动分配和回收	快速、简单	空间有限、生命周期短、栈溢出
堆（Heap）	动态分配的内存、对象	程序运行期间	较慢	手动管理	灵活、大空间	慢、内存碎片、需要手动管理
静态存储区	全局变量、静态变量、常量	程序运行期间	快	编译时分配	生命周期长、快速访问	固定大小、不可调整
代码区	程序指令、只读数据	程序运行期间	快	程序自带	不可篡改	不能修改

每种存储方式有其适用场景，通过合理利用不同的内存区域，可以优化程序性能和内存使用效率。