JAVA内存处理--堆和栈

基础版

Java 中的堆和栈
Java把内存划分成两种：一种是栈内存，一种是堆内存。

在函数中定义的一些基本类型的变量和对象的引用变量都在函数的栈内存 中分配 。

当在一段代码块定义一个变量时，Java就在栈中为这个变量分配内存空间，当超过变量的作用域后，Java会自动释放掉为该变量所分配的内存空间， 该内存空间可以立即被另作他用。

堆内存用来存放由 new创建的对象和数组。

在堆中分配的内存，由Java虚拟机的自动垃圾回收器来管理。

在堆中产生了一个数组或对象后，还可以在栈中定义一个特殊的变量，让栈中这个变量的取值等于数组或对象在堆内存中的首地址，栈中的这个变量就成了数组或对 象的引用变量。

引用变量就相当于是为数组或对象起的一个名称，以后就可以在程序中使用栈中的引用变量来访问堆中的数组或对象。

具体的说：
栈与堆都是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。
Java的堆是一个运行时数据区,类的(对象从中分配空间。这些对象通过new、newarray、anewarray和multianewarray等 指令建立，它们不需要程序代码来显式的释放。堆是由垃圾回收来负责的，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，因为它是在运行时 动态分配内存的，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。
栈的优势是，存取速度比堆要快，仅次于寄存器，栈数据可以共享。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。栈中主要存放一些基本类 型的变量（,int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和对象句柄。
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，然后查找栈中是否有3这个值，如果没找到，就将3存放进来，然后将a指向3。接着处理int b = 3；在创建完b的引用变量后，因为在栈中已经有3这个值，便将b直接指向3。这样，就出现了a与b同时均指向3的情况。这时，如果再令a=4；那么编译器 会重新搜索栈中是否有4值，如果没有，则将4存放进来，并令a指向4；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。要注意这 种数据的共享与两个对象的引用同时指向一个对象的这种共享是不同的，因为这种情况a的修改并不会影响到b, 它是由编译器完成的，它有利于节省空间。而一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态，会影响到另一个对象引用变量。

String是一 个特殊的包装类数据。可以用：
String str = new String("abc");
String str = "abc";
两种的形式来创建，第一种是用new()来新 建对象的，它会在存放于堆中。每调用一次就会创建一个新的对象。
而第二种是先在栈中创建一个对String类的对象引用变量str，然后查找栈 中有没有存放"abc"，如果没有，则将"abc"存放进栈，并令str指向”abc”，如果已经有”abc” 则直接令str指向“abc”。

比较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==， 下面用例子说明上面的理论。
String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //true
可以看出str1和 str2是指向同一个对象的。

String str1 =new String ("abc");
String str2 =new String ("abc");
System.out.println(str1==str2); // false
用new的方式是生成不同的对象。每一次生成一个 。
因此用第二种方式创建多个”abc”字符串,在内存中其实只存在一个对象而已. 这种写法有利与节省内存空间. 同时它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。
另一方面, 要注意: 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，创建了String类的对象str。担心陷阱！对象可能并没有被创建！而可能只是指向一个先前已经创建的 对象。只有通过new()方法才能保证每次都创建一个新的对象。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。


java中内存分配策略及堆和栈的比较
2.1 内存分配策略
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.

2.2 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~).

2.3 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。

JVM运行时，将内存分为堆和栈，堆中存放的是创建的对象，JAVA字符串对象内存实现时，在堆中开辟了一快很小的内存，叫字符串常量池，用来存放 特定的字符串对象。
关于String对象的创建，两种方式是不同的，第一种不用new的简单语法，即
String s1="JAVA";
创建步骤是先看常量池中有没有与"JAVA"相同的的字符串对象，如果有，将s1指向该对象，若没有，则创建一个新对象， 并让s1指向它。
第二种是new语法
String s2="JAVA";
这种语法是在堆而不是在常量池中创建对象，并将 s2指向它，然后去字符串常量池中看看，是否有与之相同的内容的对象，如果有，则将new出来的字符串对象与字符串常量池中的对象联系起来，如果没有，则 在字符串常量池中再创建一个包含该内容的字符串对象，并将堆内存中的对象与字符串常量池中新建出来的对象联系起来。
这就是字符串的一次投入，终 生回报的内存机制，对字符串的比较带来好处。

通俗版

1. 容易被搞晕的--堆和栈
由于"堆"和"栈"这两个概念是看不见摸不着的东西，让很多程序员都整不明白是怎么回
事，其实这两个概念也没有什么好研究的，因为堆和栈程序员根本没有办法控制其具体内容。
我们只需要了解一点，栈与堆都是Java 用来在内存中存放数据的地方就行了。然后再
弄清楚这两个概念分别对应这程序开发的什么操作，以及堆和栈的区别即可。
1.1 堆--用new 建立，垃圾自动回收负责回收
1、堆是一个"运行时"数据区，类实例化的对象就是从堆上去分配空间的；
2、在堆上分配空间是通过"new"等指令建立的；
3、Java 针对堆的操作和C++的区别就是，Java 不需要在空间不用的时候来显式的释放；
4、Java 的堆是由Java 的垃圾回收机制来负责处理的，堆是动态分配内存大小，垃圾
收集器可以自动回收不再使用的内存空间。
5、但缺点是，因为在运行时动态分配内存，所以内存的存取速度较慢。
例如：
String s1 = "asdf";
String s2 = "asdf";
System.out.println(s1==s2);
String s1 =new String ("asdf");
String s2 =new String ("asdf");
System.out.println(s1==s2);
就是在堆上开辟的空间来存放String 的对象。
1.2 栈--存放基本数据类型，速度快
1、栈中主要存放一些基本类型的变量（int, short, long, byte, float, double,
boolean, char）和对象句柄；
2、栈的存取速度比堆要快；
3、栈数据可以共享；
4、栈的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。
例如：
就是在堆上开辟的空间来存放String 的对象。
1.3 何谓栈的"数据共享"
栈其中一个特性就是"数据共享"，那么什么是"数据共享"呢？
我们这里面所说的数据共享，并不是由程序员来控制的，而是JVM 来控制的，指的是是
系统自动处理的方式。
比如定义两个变量：
这两个变量所指向的栈上的空间地址是同一个，这就是所谓的"数据共享"。
它的工作方式是这样的：
JVM 处理int a = 5，首先在栈上创建一个变量为a 的引用，然后去查找栈上是否还有5
这个值，如果没有找到，那么就将5存放进来，然后将a 指向5。
接着处理int b = 5，在创建完b 的引用后，因为在栈中已经有5这个值，便将b 直接
指向5。
String str = new String("abc");
int a = 3;
int a = 5;
int b = 5;
于是，就出现了a 与b 同时指向5的内存地址的情况。
1.4 实例化对象的两种方法
对于String 这个类来说它可以用两种方法进行建立：
和
用这两个形式创建的对象是不同的，第一种是用new()来创建对象的，它是在堆上开辟
空间，每调用一次都会在堆上创建一个新的对象。
而第二种的创建方法则是先在栈上创建一个String 类的对象引用，然后再去查找栈中
有没有存放"asdf"，如果没有，则将"asdf"存放进栈，并让str 指向"asdf"，如果已经有
"asdf" 则直接把str 指向"abc"。
我们在比较两个String 是否相等时，一定是用"equals()"方法，而当测试两个包装类
的引用是否指向同一个对象时，我们应该用"= ="。
因此，我们可以通过"= ="判断是否相等来验证栈上面的数据共享的问题。
例1：
该程序的运行结果是，"true"，那么这说明"s1"和"s2"都是指向同一个对象的。
例2：
该程序的运行结果是，"false"，这说明用new 的方式是生成的对象，每个对象都指向不同
的地方。