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Java中堆栈(stack)和堆(heap)


 

1. Java中堆栈(stack)和堆(heap)
    (1)内存分配的策略
       按照编译原理的观点,程序运行时的内存分配有三种策略,分别是静态的,栈式的,和堆式的。
        静态存储分配是指在编译时就能确定每个数据目标在运行时刻的存储空间需求,因而在编译时就可以给他们分配固定的内存空间。这种分配策略要求程序代码中不 允许有可变数据结构(比如可变数组)的存在,也不允许有嵌套或者递归的结构出现,因为它们都会导致编译程序无法计算准确的存储空间需求。
         栈式存储分配也可称为动态存储分配,是由一个类似于堆栈的运行栈来实现的。和静态存储分配相反,在栈式存储方案中,程序对数据区的需求在编译时是完全未 知的,只有到运行的时候才能够知道,但是规定在运行中进入一个程序模块时,必须知道该程序模块所需的数据区大小才能够为其分配内存。和我们在数据结构所熟 知的栈一样,栈式存储分配按照先进后出的原则进行分配。
          静态存储分配要求在编译时能知道所有变量的存储要求,栈式存储分配要求在过程的入口处必须知道所有的存储要求,而堆式存储分配则专门负责在编译时或运行 时模块入口处都无法确定存储要求的数据结构的内存分配,比如可变长度串和对象实例。堆由大片的可利用块或空闲块组成,堆中的内存可以按照任意顺序分配和释 放。
    (2)堆和栈的比较
       上面的定义从编译原理的教材中总结而来,除静态存储分配之外,都显得很呆板和难以理解,下面撇开静态存储分配,集中比较堆和栈:
        从堆和栈的功能和作用来通俗的比较,堆主要用来存放对象的,栈主要是用来执行程序的。而这种不同又主要是由于堆和栈的特点决定的:
          在编程中,例如C/C++中,所有的方法调用都是通过栈来进行的,所有的局部变量,形式参数都是从栈中分配内存空间的。实际上也不是什么分配,只是从栈 顶向上用就行,就好像工厂中的传送带(conveyor belt)一样,Stack Pointer会自动指引你到放东西的位置,你所要做的只是把东西放下来就行。退出函数的时候,修改栈指针就可以把栈中的内容销毁。这样的模式速度最快, 当然要用来运行程序了。需要注意的是,在分配的时候,比如为一个即将要调用的程序模块分配数据区时,应事先知道这个数据区的大小,也就说是虽然分配是在程 序运行时进行的,但是分配的大小多少是确定的,不变的,而这个"大小多少"是在编译时确定的,不是在运行时。
         堆是应用程序在运行的时候请求操作系统分配给自己内存,由于从操作系统管理的内存分配,所以在分配和销毁时都要占用时间,因此用堆的效率非常低。但是堆的 优点在于,编译器不必知道要从堆里分配多少存储空间,也不必知道存储的数据要在堆里停留多长的时间,因此,用堆保存数据时会得到更大的灵活性。事实上,面 向对象的多态性,堆内存分配是必不可少的,因为多态变量所需的存储空间只有在运行时创建了对象之后才能确定。在C++中,要求创建一个对象时,只需用 new命令编制相关的代码即可。执行这些代码时,会在堆里自动进行数据的保存。当然,为达到这种灵活性,必然会付出一定的代价:在堆里分配存储空间时会花 掉更长的时间!这也正是导致我们刚才所说的效率低的原因,看来列宁同志说的好,人的优点往往也是人的缺点,人的缺点往往也是人的优点(晕~)。
    (3)JVM中的堆和栈
         JVM是基于堆栈的虚拟机。JVM为每个新创建的线程都分配一个堆栈。也就是说,对于一个Java程序来说,它的运行就是通过对堆栈的操作来完成的。堆栈以帧为单位保存线程的状态。JVM对堆栈只进行两种操作:以帧为单位的压栈和出栈操作。
          我们知道,某个线程正在执行的方法称为此线程的当前方法。我们可能不知道,当前方法使用的帧称为当前帧。当线程激活一个Java方法,JVM就会在线程的 Java堆栈里新压入一个帧。这个帧自然成为了当前帧。在此方法执行期间,这个帧将用来保存参数,局部变量,中间计算过程和其他数据。这个帧在这里和编译 原理中的活动纪录的概念是差不多的。
         从Java的这种分配机制来看,堆栈又可以这样理解:堆栈(Stack)是操作系统在建立某个进程时或者线程(在支持多线程的操作系统中是线程)为这个线程建立的存储区域,该区域具有先进后出的特性。
    每一个Java应用都唯一对应一个JVM实例,每一个实例唯一对应一个堆。应用程序在运行中所创建的所有类实例或数组都放在这个堆中,并由应用所有的线程 共享。跟C/C++不同,Java中分配堆内存是自动初始化的。Java中所有对象的存储空间都是在堆中分配的,但是这个对象的引用却是在堆栈中分配,也 就是说在建立一个对象时从两个地方都分配内存,在堆中分配的内存实际建立这个对象,而在堆栈中分配的内存只是一个指向这个堆对象的指针(引用)而已。
       2. 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。
        3. 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:
        复制内容到剪贴板代码:
        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。 4. 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。
    5. 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。
    复制内容到剪贴板代码:
    [java]
    <span style="font-size:14px;">String str1 = "abc";
    String str2 = "abc";
    System.out.println(str1==str2); //true </span>
    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:
    复制内容到剪贴板代码:
    [java]
    <span style="font-size:14px;">String str1 = "abc";
    String str2 = "abc";
    str1 = "bcd";
    System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc
    System.out.println(str1==str2); //false </span>
    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:
    复制内容到剪贴板代码:
    [java]
    <span style="font-size:14px;">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 </span>
    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。
    复制内容到剪贴板代码:
    [java]
    <span style="font-size:14px;">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 </span>
    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。
    6. 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。 7. 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。