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Java的堆与栈

发表于: 2015-02-28   作者:JokerLinisty   来源:转载   浏览:
摘要: 1、先看下在JAVA中有以下六个区域可以存放数据(见《Java编程思想》):     1)寄存器(register)。这是最快的存储区,因为它位于不同于其他存储区的地方——处理器内部。但是寄存器的数量极其有限,所以寄存器由编译器根据需求进行分配。你不能直接控制,也不能在程序中感觉到寄存器存在的任何迹象。      2)堆栈(

1、先看下在JAVA中有以下六个区域可以存放数据(见《Java编程思想》):

    1)寄存器(register)。这是最快的存储区,因为它位于不同于其他存储区的地方——处理器内部。但是寄存器的数量极其有限,所以寄存器由编译器根据需求进行分配。你不能直接控制,也不能在程序中感觉到寄存器存在的任何迹象。

 
    2)堆栈(stack)。位于通用RAM中,但通过它的“堆栈指针”可以从处理器哪里获得支持。堆栈指针若向下移动,则分配新的内存;若向上移动,则释放那些内存。这是一种快速有效的分配存储方法,仅次于寄存器。创建程序时候,JAVA编译器必须知道存储在堆栈内所有数据的确切大小和生命周期,因为它必须生成相应的代码,以便上下移动堆栈指针。这一约束限制了程序的灵活性,所以虽然某些JAVA数据存储在堆栈中——特别是对象引用,但是JAVA对象不存储其中。 


    3)堆(heap)。一种通用性的内存池(也存在于RAM中),用于存放所以的JAVA对象。堆不同于堆栈的好处是:编译器不需要知道要从堆里分配多少存储区域,也不必知道存储的数据在堆里存活多长时间。因此,在堆里分配存储有很大的灵活性。当你需要创建一个对象的时候,只需要new写一行简单的代码,当执行这行代码时,会自动在堆里进行存储分配。当然,为这种灵活性必须要付出相应的代码。用堆进行存储分配比用堆栈进行存储存储需要更多的时间。 


    4)静态存储(static storage)。这里的“静态”是指“在固定的位置”。静态存储里存放程序运行时一直存在的数据。你可用关键字static来标识一个对象的特定元素是静态的,但JAVA对象本身从来不会存放在静态存储空间里。 


    5)常量存储(constant storage)。常量值通常直接存放在程序代码内部,这样做是安全的,因为它们永远不会被改变。有时,在嵌入式系统中,常量本身会和其他部分分割离开,所以在这种情况下,可以选择将其放在ROM中


    6)非RAM存储。如果数据完全存活于程序之外,那么它可以不受程序的任何控制,在程序没有运行时也可以存在。 


就速度来说,有如下关系: 寄存器 < 堆栈 < 堆 < 其他 

 

2、栈(stack)与堆(heap)都是Java用来在Ram中存放数据的地方。与C++不同,Java自动管理栈和堆,程序员不能直接地设置栈或堆。 

3、栈的优势是,存取速度比堆要快,仅次于直接位于CPU中的寄存器。但缺点是,存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的,缺乏灵活性。另外,栈数据可以共享,详见第3点。堆的优势是可以动态地分配内存大小,生存期也不必事先告诉编译器,Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。但缺点是,由于要在运行时动态分配内存,存取速度较慢。 

4、Java中的数据类型有两种。 
    一种是基本类型(primitive types), 共有8种,即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意,并没有string的基本类型)。这种类型的定义是通过诸如int a = 3; long b = 255L;的形式来定义的,称为自动变量。值得注意的是,自动变量存的是字面值,不是类的实例,即不是类的引用,这里并没有类的存在。如int a = 3; 这里的a是一个指向int类型的引用,指向3这个字面值。这些字面值的数据,由于大小可知,生存期可知(这些字面值固定定义在某个程序块里面,程序块退出后,字段值就消失了),出于追求速度的原因,就存在于栈中。 

    另外,栈有一个很重要的特殊性,就是存在栈中的数据可以共享。假设我们同时定义: 
int a = 3; 
int b = 3; 
编译器先处理int a = 3;首先它会在栈中创建一个变量为a的引用,然后查找有没有字面值为3的地址,没找到,就开辟一个存放3这个字面值的地址,然后将a指向3的地址。接着处理int b = 3;在创建完b的引用变量后,由于在栈中已经有3这个字面值,便将b直接指向3的地址。这样,就出现了a与b同时均指向3的情况。 

    特别注意的是,这种字面值的引用与类对象的引用不同。假定两个类对象的引用同时指向一个对象,如果一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态,那么另一个对象引用变量也即刻反映出这个变化。相反,通过字面值的引用来修改其值,不会导致另一个指向此字面值的引用的值也跟着改变的情况。如上例,我们定义完a与b的值后,再令a=4;那么,b不会等于4,还是等于3。在编译器内部,遇到a=4;时,它就会重新搜索栈中是否有4的字面值,如果没有,重新开辟地址存放4的值;如果已经有了,则直接将a指向这个地址。因此a值的改变不会影响到b的值。 

    另一种是包装类数据,如Integer, String, Double等将相应的基本数据类型包装起来的类。这些类数据全部存在于堆中,Java用new()语句来显示地告诉编译器,在运行时才根据需要动态创建,因此比较灵活,但缺点是要占用更多的时间。

 

5、String是一个特殊的包装类数据。即可以用String str = new String("abc");的形式来创建,也可以用String str = "abc";的形式来创建(作为对比,在JDK 5.0之前,你从未见过Integer i = 3;的表达式,因为类与字面值是不能通用的,除了String。而在JDK 5.0中,这种表达式是可以的!因为编译器在后台进行Integer i = new Integer(3)的转换)。前者是规范的类的创建过程,即在Java中,一切都是对象,而对象是类的实例,全部通过new()的形式来创建。Java中的有些类,如DateFormat类,可以通过该类的getInstance()方法来返回一个新创建的类,似乎违反了此原则。其实不然。该类运用了单例模式来返回类的实例,只不过这个实例是在该类内部通过new()来创建的,而getInstance()向外部隐藏了此细节。那为什么在String str = "abc";中,并没有通过new()来创建实例,是不是违反了上述原则?其实没有。 

6、关于String str = "abc"的内部工作。Java内部将此语句转化为以下几个步骤: 
    1)先定义一个名为str的对String类的对象引用变量:String str; 
    2)在栈中查找有没有存放值为"abc"的地址,如果没有,则开辟一个存放字面值为"abc"的地址,接着创建一个新的String类的对象o,并将o的字符串值指向这个地址,而且在栈中这个地址旁边记下这个引用的对象o。如果已经有了值为"abc"的地址,则查找对象o,并返回o的地址。 
    3)将str指向对象o的地址。  
值得注意的是,一般String类中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc";这种场合下,其字符串值却是保存了一个指向存在栈中数据的引用! 

为了更好地说明这个问题,我们可以通过以下的几个代码进行验证。 
String str1 = "abc"; 
String str2 = "abc"; 
System.out.println(str1==str2); //true 
注意,我们这里并不用str1.equals(str2);的方式,因为这将比较两个字符串的值是否相等。==号,根据JDK的说明,只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。而我们在这里要看的是,str1与str2是否都指向了同一个对象。 
结果说明,JVM创建了两个引用str1和str2,但只创建了一个对象,而且两个引用都指向了这个对象。 

我们再来更进一步,将以上代码改成: 
String str1 = "abc"; 
String str2 = "abc"; 
str1 = "bcd"; 
System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc 
System.out.println(str1==str2); //false 
    这就是说,赋值的变化导致了类对象引用的变化,str1指向了另外一个新对象!而str2仍旧指向原来的对象。上例中,当我们将str1的值改为"bcd"时,JVM发现在栈中没有存放该值的地址,便开辟了这个地址,并创建了一个新的对象,其字符串的值指向这个地址。 

    事实上,String类被设计成为不可改变(immutable)的类。如果你要改变其值,可以,但JVM在运行时根据新值悄悄创建了一个新对象,然后将这个对象的地址返回给原来类的引用。这个创建过程虽说是完全自动进行的,但它毕竟占用了更多的时间。在对时间要求比较敏感的环境中,会带有一定的不良影响。 

再修改原来代码: 
String str1 = "abc"; 
String str2 = "abc"; 
str1 = "bcd"; 
String str3 = str1; 
System.out.println(str3); //bcd 
String str4 = "bcd"; 
System.out.println(str1 == str4); //true 
str3这个对象的引用直接指向str1所指向的对象(注意,str3并没有创建新对象)。当str1改完其值后,再创建一个String的引用str4,并指向因str1修改值而创建的新的对象。可以发现,这回str4也没有创建新的对象,从而再次实现栈中数据的共享。 

我们再接着看以下的代码。 
String str1 = new String("abc"); 
String str2 = "abc"; 
System.out.println(str1==str2); //false 创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。 

String str1 = "abc"; 
String str2 = new String("abc"); 
System.out.println(str1==str2); //false 创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。 

以上两段代码说明,只要是用new()来新建对象的,都会在堆中创建,而且其字符串是单独存值的,即使与栈中的数据相同,也不会与栈中的数据共享。 

7、数据类型包装类的值不可修改。不仅仅是String类的值不可修改,所有的数据类型包装类都不能更改其内部的值。

 

8、 结论与建议: 

    1)我们在使用诸如String str = "abc";的格式定义类时,总是想当然地认为,我们创建了String类的对象str。担心陷阱!对象可能并没有被创建!唯一可以肯定的是,指向String类的引用被创建了。至于这个引用到底是否指向了一个新的对象,必须根据上下文来考虑,除非你通过new()方法来显要地创建一个新的对象。因此,更为准确的说法是,我们创建了一个指向String类的对象的引用变量str,这个对象引用变量指向了某个值为"abc"的String类。清醒地认识到这一点对排除程序中难以发现的bug是很有帮助的。 

    2)使用String str = "abc";的方式,可以在一定程度上提高程序的运行速度,因为JVM会自动根据栈中数据的实际情况来决定是否有必要创建新对象。而对于String str = new String("abc");的代码,则一概在堆中创建新对象,而不管其字符串值是否相等,是否有必要创建新对象,从而加重了程序的负担。这个思想应该是享元模式的思想,但JDK的内部在这里实现是否应用了这个模式,不得而知。 

    3)当比较包装类里面的数值是否相等时,用equals()方法;当测试两个包装类的引用是否指向同一个对象时,用==。 

    4)由于String类的immutable性质,当String变量需要经常变换其值时,应该考虑使用StringBuffer类,以提高程序效率。

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