为什么基本引用没有堆开销？

Question

在Stroustrup的C++基础书籍中，他提供了一种纯面向对象的语言（第4页）。

class complex { double re, im; /* … */ };
complex a[ ] = { {1,2}, {3,4} };

他假设在纯面向对象语言中，a 是分配在堆上的，并且 a 的内存布局如下所示： 引用占一个字，堆开销占两个字，浮点数占四个字，据此估算出 a 的大小为3*sizeof(reference)+3*sizeof(heap_overhead)+4*sizeof(double)。假设引用占一个字，堆开销占两个字，则得到一个可能的大小为19个字，与 C++ 的 8 个字进行比较。这种内存开销会带来运行时开销，因为要对元素进行间接访问和分配。这种间接访问通常会导致缓存利用问题，并限制 ROM 可能性。

我注意到最上面的引用没有堆开销（白色矩形）。

我猜这是一般现象，而不是针对纯 OO 示例语言指定的。

但我找不到任何参考资料（我承认这不是一个搜索引擎友好的问题）。

更新

感谢您的回答。然而，我忘记发布我的原始猜测。（抱歉，这是我的错。）

实际上，我也认为因为 a 本身可能被分配在堆栈或其他地方，它本身不会有堆开销。但后来，我注意到 BS 也说：

“与“纯面向对象语言”中的更典型布局相比，每个用户定义的对象都单独分配在堆上并通过引用访问...”（第4页）。

所以，我认为他将实现限制为仅在堆上（或无堆栈）。

（当然，也许我对这个句子读得太多了。）

- Chen Li

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一个程序总是会使用堆和栈。两者都应该存在。 - Joseph D.

@codekaizer 在历史上存在着无栈和无堆的设计。https://dev59.com/BnM_5IYBdhLWcg3wslfs#50479025 - Chen Li

@陳力 談到了像Java這樣的語言，其中所有變量都是指針/引用，沒有例外。在所有無堆棧機器上，堆棧首先被實現。請注意，當創建C時，沒有計算機具有基於CPU的堆棧。調用堆棧是模擬的。沒有任何一種類型的堆棧，您都無法調用函數。正式的C++文檔談論存儲類型和持續時間，而不是關於如何實現該存儲的方式。 - Swift - Friday Pie

@Swift-FridayPie 谢谢！ - Chen Li

Answer 1

顶层引用的位置取决于它在哪里。以下是几个选项：

1. 它可以存在于堆栈中。代码中的a可以表示为这样。
2. 它被嵌入到现有对象中。
3. 内存被分配来仅持有句柄。在这种情况下，它将具有内存开销。
4. 它作为全局实体存在。
5. 引用可以存在于寄存器中。在代码中的a也可以表示为这样，在这种情况下，它既没有堆开销也没有内存开销：而是“仅仅”需要使用一个寄存器。

在这种情况下的主要意识是，这些引用不是实际对象，即你不能有对引用的引用。因此，没有必要保持引用的位置固定。它们可以（并且当它们实际上被表示时）是实际值。引用的值在典型实现中是对象的地址。

其他实体是对象：

• 类complex用于创建实际嵌入两个奇数double“对象”的对象，这些值也是值而不是实际对象。
• a是此模型中引用两个complex对象的数组对象。

- Dietmar Kühl

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请查看我在问题中的更新。谢谢：） - Chen Li

Answer 2

当你将某些内容存储在堆上时，会产生堆开销。两个复杂值存储在堆上，因此它们会有开销。引用数组也存储在堆上，因此它会有开销。

但是，对于数组的引用本身不存储在堆上。通常，该引用将作为局部变量放置在堆栈上，或者堆栈存储可能通过使用CPU寄存器而被优化掉。无论哪种情况，引用本身只是一个本地指针变量，它本身没有堆分配开销。

- cmaster - reinstate monica

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谢谢，cmaster。事实上，在发布这个问题之前，我自己也有这个答案。但后来，我看到BS也说：每个用户定义的对象在堆上单独分配（第4页）。a 本身也是一个用户定义的对象���所以我认为他也将实现限制为仅堆（无栈）。 - Chen Li

@陳力 你无法将程序编译为无堆栈可执行文件，因为你需要一些引用到堆上才能使用它。如果不知道信息在哪里，就无法检索任何信息。在已编译的程序中，CPU有一些寄存器，允许它找到其堆栈和代码。而该堆栈包含引用（局部变量），允许它找到堆上的对象。这就是信息如何被锚定到CPU的方式，没有这种锚定，就没有办法神奇地知道东西在哪里。 - cmaster - reinstate monica

@cmaster，即使现在存在一些CPU架构（大多数是RISC、MIPS、51派生控制器等）不按照这种方式工作，但总有一些代码结构可以模拟这种行为，以便使用基于函数的代码结构。堆栈寄存器可能不存在，但是有一个“堆栈”数据结构来存储地址、值、返回地址等。 - Swift - Friday Pie

@Swift-FridayPie 你的意思是没有 push/pop 指令吗？是的，这种情况确实存在。在 PPC 上，你需要使用类似 stwu r1,-StackFrameSize(r1) 的调用来创建一个堆栈帧。（如果我没记错的话，r1 是按照约定用于保存堆栈指针的寄存器。从 CPU 的角度来看，它也可以是任何其他寄存器。）但事实仍然存在一个地方可以以某种方式推送返回地址。 - cmaster - reinstate monica

@MatteoItalia 好的，我应该说：你无法将递归程序编译成无栈可执行文件。只要您的函数不是可重入的，您可以将它们的本地变量存储在某个全局可访问的位置，并且可以将其地址硬编码到CPU指令中。在这种情况下，您确实可以没有堆栈而得到一些好处。但是，在这种设置中，您始终具有本地变量（=引用），这些本地变量本身会在没有分配开销的情况下存储在某个地方。在某些时候，即使没有堆栈，您始终有这种锚定。 - cmaster - reinstate monica

Answer 3

complex a[ ] = { {1,2}, {3,4} };

让我们打破这种自下而上的方法。

1.您有两个“复杂”对象，它们是“列表初始化”的：Complex {1,2}和Complex {3,4}。

复杂{双重，双重}

每个“complex”对象都具有堆（白色）的地址和由“double”值占用的空间（蓝色）。

2.接下来是外部的“{”括号，用于“列表初始化”一个“Complex”对象的“数组”。

数组{Complex1，Complex2}

这具有“数组”对象的地址（白色），以及对两个“Complex”对象的两个引用（蓝色）。

3.最后，对于“complex a”没有开销，因为它只是存在于堆栈中的局部变量。

- Joseph D.

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请看一下我在问题中的更新。谢谢：） - Chen Li

Answer 4

这里的想法是，顶层引用要么是堆栈/参数上的本地变量/寄存器（没有堆开销），要么作为某个更大结构的一部分（该结构可能在堆上分配，但我们不计算其开销，因为它不特定于此特定引用，而是共享其他数据成员）。

“实际上，我也认为，因为a本身可以分配在堆栈或其他任何位置，所以它本身不会有堆开销。但后来，我注意到BS还说：”与从“纯面向对象语言”中更典型的布局进行比较，“每个用户定义的对象单独分配在堆上，并通过引用访问……”在第4页。

所以，我认为他将实现限制为仅适用于堆（或无堆栈）。

（当然，也许我读太多了这个句子）”

我认为你读得太多了。Stroustroup提到的现实世界语言（如Python、Java或C#-如果我们限制自己只考虑装箱类型）确实有一个“常规”堆栈，其中包含一组普通的引用数组。

- Matteo Italia

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谢谢：）但请看一下我在问题中的更新。 - Chen Li