?

棧

上節(jié)我們介紹了函數(shù)的基本概念，在最后我們提到了一個(gè)系統(tǒng)異常java.lang.StackOverflowError，棧溢出錯(cuò)誤，要理解這個(gè)錯(cuò)誤，我們需要理解函數(shù)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。本節(jié)就從概念模型的角度談?wù)勊幕驹怼?/p>

我們之前談過程序執(zhí)行的基本原理：CPU有一個(gè)指令指示器，指向下一條要執(zhí)行的指令，要么順序執(zhí)行，要么進(jìn)行跳轉(zhuǎn)（條件跳轉(zhuǎn)或無條件跳轉(zhuǎn)）。

基本上，這依然是成立的，程序從main函數(shù)開始順序執(zhí)行，函數(shù)調(diào)用可以看做是一個(gè)無條件跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)函數(shù)的指令處開始執(zhí)行，碰到return語句或者函數(shù)結(jié)尾的時(shí)候，再執(zhí)行一次無條件跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)回調(diào)用方，執(zhí)行調(diào)用函數(shù)后的下一條指令。

但這里面有幾個(gè)問題：

• 參數(shù)如何傳遞？
• 函數(shù)如何知道返回到什么地方？在if/else, for中，跳轉(zhuǎn)的地址都是確定的，但函數(shù)自己并不知道會(huì)被誰調(diào)用，而且可能會(huì)被很多地方調(diào)用，它并不能提前知道執(zhí)行結(jié)束后返回哪里。
• 函數(shù)結(jié)果如何傳給調(diào)用方？

解決思路是使用內(nèi)存來存放這些數(shù)據(jù)，函數(shù)調(diào)用方和函數(shù)自己就如何存放和使用這些數(shù)據(jù)達(dá)成一個(gè)一致的協(xié)議或約定。這個(gè)約定在各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中都是類似的，存放這些數(shù)據(jù)的內(nèi)存有一個(gè)相同的名字，叫棧。

棧是一塊內(nèi)存，但它的使用有特別的約定，一般是先進(jìn)后出，類似于一個(gè)桶，往棧里放數(shù)據(jù)，我們稱為入棧，最下面的我們稱為棧底，最上面的我們稱為棧頂，從棧頂拿出數(shù)據(jù)，通常稱為出棧。棧一般是從高位地址向低位地址擴(kuò)展，換句話說，棧底的內(nèi)存地址是最高的，棧頂?shù)氖亲钚〉摹?/p>

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要使用棧來存放函數(shù)調(diào)用過程中需要的數(shù)據(jù)，包括參數(shù)、返回地址，函數(shù)內(nèi)定義的局部變量也放在棧中。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就如何在棧中存放這些數(shù)據(jù)，調(diào)用者和函數(shù)如何協(xié)作做了約定。返回值不太一樣，它可能放在棧中，但它使用的棧和局部變量不完全一樣，有的系統(tǒng)使用CPU內(nèi)的一個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)返回值，我們可以簡(jiǎn)單認(rèn)為存在一個(gè)專門的返回值存儲(chǔ)器。 main函數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)放在棧的最下面，每調(diào)用一次函數(shù)，都會(huì)將相關(guān)函數(shù)的數(shù)據(jù)入棧，調(diào)用結(jié)束會(huì)出棧。

以上描述可能有點(diǎn)抽象，我們通過一個(gè)例子來說明。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子

我們從一個(gè)簡(jiǎn)單例子開始，下面是代碼：

1 public class Sum { 2 3 public static int sum(int a, int b) { 4 int c = a + b; 5 return c; 6 } 7 8 public static void main(String[] args) { 9 int d = Sum.sum(1, 2); 10 System.out.println(d); 11 } 12 13 }

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，main函數(shù)調(diào)用了sum函數(shù)，計(jì)算1和2的和，然后輸出計(jì)算結(jié)果，從概念上，這是容易理解的，讓我們從棧的角度來討論下。

當(dāng)程序在main函數(shù)調(diào)用Sum.sum之前，棧的情況大概是這樣的：

主要存放了兩個(gè)變量args和d。在程序執(zhí)行到Sum.sum的函數(shù)內(nèi)部，準(zhǔn)備返回之前，即第5行，棧的情況大概是這樣的：

我們解釋下，在main函數(shù)調(diào)用Sum.sum時(shí)，首先將參數(shù)1和2入棧，然后將返回地址（也就是調(diào)用函數(shù)結(jié)束后要執(zhí)行的指令地址）入棧，接著跳轉(zhuǎn)到sum 函數(shù)，在sum函數(shù)內(nèi)部，需要為局部變量c分配一個(gè)空間，而參數(shù)變量a和b則直接對(duì)應(yīng)于入棧的數(shù)據(jù)1和2，在返回之前，返回值保存到了專門的返回值存儲(chǔ)器 中。

在調(diào)用return后，程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到棧中保存的返回地址，即main的下一條指令地址，而sum函數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)會(huì)出棧，從而又變回下面這樣：

main的下一條指令是根據(jù)函數(shù)返回值給變量d賦值，返回值從專門的返回值存儲(chǔ)器中獲得。

函數(shù)執(zhí)行的基本原理，簡(jiǎn)單來說就是這樣。但有一些需要介紹的點(diǎn)，我們討論一下。

變量的生命周期

我們?cè)诘谝还?jié)的時(shí)候說過，定義一個(gè)變量就會(huì)分配一塊內(nèi)存，但我們并沒有具體談什么時(shí)候分配內(nèi)存，具體分配在哪里，什么時(shí)候釋放內(nèi)存。

從以上關(guān)于棧的描述我們可以看出，函數(shù)中的參數(shù)和函數(shù)內(nèi)定義的變量，都分配在棧中，這些變量只有在函數(shù)被調(diào)用的時(shí)候才分配，而且在調(diào)用結(jié)束后就被釋放了。但這個(gè)說法主要針對(duì)基本數(shù)據(jù)類型，接下來我們談數(shù)組和對(duì)象。

數(shù)組和對(duì)象

對(duì)于數(shù)組和對(duì)象類型，我們介紹過，它們都有兩塊內(nèi)存，一塊存放實(shí)際的內(nèi)容，一塊存放實(shí)際內(nèi)容的地址，實(shí)際的內(nèi)容空間一般不是分配在棧上的，而是分配在堆（也是內(nèi)存的一部分，后續(xù)文章介紹）中，但存放地址的空間是分配在棧上的。

我們來看個(gè)例子，下面是代碼：

public class ArrayMax {public static int max(int min, int[] arr) {int max = min;for(int a : arr){if(a>max){max = a;}}return max;}public static void main(String[] args) {int[] arr = new int[]{2,3,4};int ret = max(0, arr);System.out.println(ret);}}

這個(gè)程序也很簡(jiǎn)單，main函數(shù)新建了一個(gè)數(shù)組，然后調(diào)用函數(shù)max計(jì)算0和數(shù)組中元素的最大值，在程序執(zhí)行到max函數(shù)的return語句之前的時(shí)候，內(nèi)存中棧和堆的情況大概是這樣的：

對(duì)于數(shù)組arr，在棧中存放的是實(shí)際內(nèi)容的地址0x1000，存放地址的棧空間會(huì)隨著入棧分配，出棧釋放，但存放實(shí)際內(nèi)容的堆空間不受影響。

但說堆空間完全不受影響是不正確的，在這個(gè)例子中，當(dāng)main函數(shù)執(zhí)行結(jié)束，棧空間沒有變量指向它的時(shí)候，Java系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行垃圾回收，從而釋放這塊空間。

遞歸調(diào)用

我們?cè)偻ㄟ^棧的角度來理解一下遞歸函數(shù)的調(diào)用過程，代碼如下：

public static int factorial(int n) {if(n==0){return 1;}else{return n*factorial(n-1);} }public static void main(String[] args) {int ret = factorial(4);System.out.println(ret); }

在factorial第一次被調(diào)用的時(shí)候，n是4，在執(zhí)行到 n*factorial(n-1)，即4*factorial(3)之前的時(shí)候，棧的情況大概是：

注意返回值存儲(chǔ)器是沒有值的，在調(diào)用factorial(3)后，棧的情況變?yōu)榱?#xff1a;

棧的深度增加了，返回值存儲(chǔ)器依然為空，就這樣，每遞歸調(diào)用一次，棧的深度就增加一層，每次調(diào)用都會(huì)分配對(duì)應(yīng)的參數(shù)和局部變量，也都會(huì)保存調(diào)用的返回地址，在調(diào)用到n等于0的時(shí)候，棧的情況是：

這個(gè)時(shí)候，終于有返回值了，我們將factorial簡(jiǎn)寫為f。f(0)的返回值為1，f(0)返回到f(1)，f(1)執(zhí)行1*f(0)，結(jié)果也是1，然 后返回到f(2)，f(2)執(zhí)行2*f(1)，結(jié)果是2，然后接著返回到f(3)，f(3)執(zhí)行3*f(2)，結(jié)果是6，然后返回到f(4)，執(zhí)行 4*f(3)，結(jié)果是24。

以上就是遞歸函數(shù)的執(zhí)行過程，函數(shù)代碼雖然只有一份，但在執(zhí)行的過程中，每調(diào)用一次，就會(huì)有一次入棧，生成一份不同的參數(shù)、局部變量和返回地址。

函數(shù)調(diào)用的成本

從函數(shù)調(diào)用的過程我們可以看出，調(diào)用是有成本的，每一次調(diào)用都需要分配額外的棧空間用于存儲(chǔ)參數(shù)、局部變量以及返回地址，需要進(jìn)行額外的入棧和出棧操作。

在遞歸調(diào)用的情況下，如果遞歸的次數(shù)比較多，這個(gè)成本是比較可觀的，所以，如果程序可以比較容易的改為別的方式，應(yīng)該考慮別的方式。

另外，棧的空間不是無限的，一般正常調(diào)用都是沒有問題的，但像上節(jié)介紹的例子，棧空間過深，系統(tǒng)就會(huì)拋出錯(cuò)誤，java.lang.StackOverflowError，即棧溢出。

小結(jié)

本節(jié)介紹了函數(shù)調(diào)用的基本原理，函數(shù)調(diào)用主要是通過棧來存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)的，系統(tǒng)就函數(shù)調(diào)用者和函數(shù)如何使用棧做了約定，返回值我們簡(jiǎn)化認(rèn)為是通過一個(gè)專門的返回值存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的，我們主要從概念上介紹了其基本原理，忽略了一些細(xì)節(jié)。

在本節(jié)中，我們假設(shè)函數(shù)的修飾符都是public static，如果不是static的，則會(huì)略有差別，后續(xù)文章會(huì)介紹。

我們談到，在Java中，函數(shù)必須放在類中，目前我們簡(jiǎn)化認(rèn)為類只是函數(shù)的容器，但類在Java中遠(yuǎn)不止有這個(gè)功能，它還承載了很多概念和思維方式，在接下來的幾節(jié)中，讓我們一起來探索類的世界。

----------------

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机程序的思维逻辑 (12) - 函数调用的基本原理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。