Java的栈和堆

        学的越多，碰到的问题也越多，对一个知识点的不解就像指针一样，辗转的指向了更原理性的东西，下面将找到的java内存中堆和栈的信息进行了一下整理。一定要注意：区分开全局变量和局部变量。

概括说：
        Java把内存划分成两种：一种是栈内存，一种是堆内存。

        在方法中定义的一些基本类型（原生类型）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。（对这里基本数据类型的说法存疑）

        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。具体可以参见String的一点东西

        用第一种方式创建多个”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。


        C语言中的堆和栈
        栈：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：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

        申请后系统的响应

        栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。

        堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

        申请大小的限制

        栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M(也可能是1M，它是一个编译时就确定的常数)，如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。

        堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

        申请效率的比较：

        栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。

        堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。

        另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一块内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。

        堆和栈中的存储内容

        栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令(函数调用语句的下一条可执行语句)的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。
        当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。

        堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

        存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

        aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的;而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的;

        但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。

        比如：

void　main() 
{ 
　　char　a　=　1; 
　　char　c[]　=　"1234567890"; 
　　char　*p　="1234567890"; 
　　a　=　c[1]; 
　　a　=　p[1]; 
　　return; 
}

        对应的汇编代码

　　     10:　a　=　c[1];
　    　 00401067　8A　4D　F1　mov　cl,byte　ptr　[ebp-0Fh]
　    　 0040106A　88　4D　FC　mov　byte　ptr　[ebp-4],cl
　    　 11:　a　=　p[1];
    　　 0040106D　8B　55　EC　mov　edx,dword　ptr　[ebp-14h]
　    　 00401070　8A　42　01　mov　al,byte　ptr　[edx+1]
    　　 00401073　88　45　FC　mov　byte　ptr　[ebp-4],al
        第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。

        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。（在这里堆栈即前面所说的栈。）

        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。

        对于方法来说：
        1、方法本身是指令的操作码部分，保存在Stack中；

        2、方法内部变量作为指令的操作数部分，跟在指令的操作码之后，保存在Stack中（实际上是简单类型保存在Stack中，对象类型在Stack中保存地址，在Heap中保存其本身）；上述的指令操作码和指令操作数构成了完整的Java指令。

        总结：
        在java中：
        1、成员变量：实例变量存放在堆中，其引用在栈中；静态变量存放在栈中。
        2、方法中的局部变量分为引用变量和基本类型变量。引用变量所指向的对象存放在堆中，而引用变量本身存放在栈中；基本类型变量存放在栈中。
        3、所有new出来的对象都存放在堆中，其引用放在栈中。
        4、方法本身相当于指令的操作码部分，存放在栈中。

        通过以上分析可以看出：堆存放了数据，栈存放了逻辑。堆与栈职能的分离有利于数据之间的共享，更体现出了面向对象的思想。