java内存机制_堆和栈

java内存机制_堆和栈

2010-09-29 21:38:07 |  分类： 默认分类 | 字号   订阅

问题的引入：

问题一：

String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //true

问题二：

String str1 =new String ("abc");
String str2 =new String ("abc");
System.out.println(str1==str2); // false

问题三：

String s1 = "ja";
String s2 = "va";
String s3 = "java";
String s4 = s1 + s2;
System.out.println(s3 == s4);//false
System.out.println(s3.equals(s4));//true

由于以上问题让人含糊不清，于是特地搜集了一些有关java内存分配的资料,以下是网摘：

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。

 

一、Java 内存分配
1、 Java 有几种存储区域？
* 寄存器
     -- 在CPU内部，开发人员不能通过代码来控制寄存器的分配，由编译器来管理
* 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，即栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的。
     -- 优点：由系统自动分配，速度较快。
     -- 缺点：不够灵活，但程序员是无法控制的。
     -- 存放基本数据类型、开发过程中就创建的对象(而不是运行过程中)
* 堆
     -- 是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域
     -- 在堆中，没有堆栈指针，为此也就无法直接从处理器那边获得支持
     -- 堆的好处是有很大的灵活性。如Java 编译器不需要知道从堆里需要分配多少存储区域，也不必知道存储的数据在堆里会存活多长时间。
* 静态存储区域与常量存储区域
     -- 静态存储区用来存放static类型的变量
     -- 常量存储区用来存放常量类型(final)类型的值，一般在只读存储器中
* 非RAM存储
     -- 如流对象，是要发送到另外一台机器上的
     -- 持久化的对象，存放在磁盘上
2、 java 内存分配
     -- 基础数据类型直接在栈空间分配;
     -- 方法的形式参数，直接在栈空间分配，当方法调用完成后从栈空间回收;
     -- 引用数据类型，需要用new来创建，既在栈空间分配一个地址空间，又在堆空间分配对象的类变量;
     -- 方法的引用参数，在栈空间分配一个地址空间，并指向堆空间的对象区，当方法调用完后从栈空间回收;
     -- 局部变量 new 出来时，在栈空间和堆空间中分配空间，当局部变量生命周期结束后，栈空间立刻被回收，堆空间区域等待GC回收;
     -- 方法调用时传入的 literal 参数，先在栈空间分配，在方法调用完成后从栈空间释放;
     -- 字符串常量在 DATA 区域分配 ，this 在堆空间分配;
     -- 数组既在栈空间分配数组名称， 又在堆空间分配数组实际的大小！
3、Java 内存模型
* Java 虚拟机将其管辖的内存大致分三个逻辑部分：方法区(Method Area)、Java 栈和Java 堆。
    -- 方法区是静态分配的，编译器将变量在绑定在某个存储位置上，而且这些绑定不会在运行时改变。
        常数池，源代码中的命名常量、String常量和static 变量保存在方法区。
    -- Java Stack是一个逻辑概念，特点是后进先出。一个栈的空间可能是连续的，也可能是不连续的。
        最典型的Stack应用是方法的调用，Java 虚拟机每调用一次方法就创建一个方法帧（frame），退出该方法则对应的  方法帧被弹出(pop)。栈中存储的数据也是运行时确定的？
    -- Java 堆分配(heap allocation)意味着以随意的顺序，在运行时进行存储空间分配和收回的内存管理模型。
        堆中存储的数据常常是大小、数量和生命期在编译时无法确定的。Java 对象的内存总是在heap中分配。
4、Java 内存分配实例解析
     常量池(constant pool) 指的是在编译期被确定，并被保存在已编译的.class文件中的一些数据。它包括了关于类、方法、接口等中的常量，也包括字符串常量。
     常 量池在运行期被JVM装载，并且可以扩充。String的intern()方法就是扩充常量池的一个方法；当一个String实例str调用 intern()方法时，Java 查找常量池中是否有相同Unicode的字符串常量，如果有，则返回其引用，如果没有，则在常量池中增加一个Unicode等于str的字符串并返回它的 引用。
     例：
     String s1=new String("kvill");
     String s2=s1.intern();
     System.out.println( s1==s1.intern() );//false
     System.out.println( s1+" "+s2 );// kvill kvill
     System.out.println( s2==s1.intern() );//true
     这个类中事先没有声名”kvill”常量，所以常量池中一开始是没有”kvill”的，当调用s1.intern()后就在常量池中新添加了一个 ”kvill”常量，原来的不在常量池中的”kvill”仍然存在。s1==s1.intern()为false说明原来的“kvill”仍然存在；s2 现在为常量池中“kvill”的地址，所以有s2==s1.intern()为true。

 

String 常量池问题
(1) 字符串常量的"+"号连接，在编译期字符串常量的值就确定下来, 拿"a" + 1来说，编译器优化后在class中就已经是a1。
     String a = "a1"; 
     String b = "a" + 1; 
     System.out.println((a == b)); //result = true
     String a = "atrue"; 
     String b = "a" + "true"; 
     System.out.println((a == b)); //result = true
     String a = "a3.4"; 
     String b = "a" + 3.4; 
     System.out.println((a == b)); //result = true
(2) 对于含有字符串引用的"+"连接，无法被编译器优化。
     String a = "ab"; 
     String bb = "b"; 
     String b = "a" + bb; 
     System.out.println((a == b)); //result = false
     由于引用的值在程序编译期是无法确定的，即"a" + bb，只有在运行期来动态分配并将连接后的新地址赋给b。
(3) 对于final修饰的变量，它在编译时被解析为常量值的一个本地拷贝并存储到自己的常量池中或嵌入到它的字节码流中。所以此时的"a" + bb和"a" + "b"效果是一样的。
     String a = "ab"; 
     final String bb = "b"; 
     String b = "a" + bb; 
     System.out.println((a == b)); //result = true
(4) jvm对于字符串引用bb，它的值在编译期无法确定，只有在程序运行期调用方法后，将方法的返回值和"a"来动态连接并分配地址为b。
     String a = "ab"; 
     final String bb = getbb(); 
     String b = "a" + bb; 
     System.out.println((a == b)); //result = false 
     private static string getbb() {
       return "b"; 
     }
(5) String 变量采用连接运算符（+）效率低下。
     String s = "a" + "b" + "c"; 就等价于String s = "abc";
     String a = "a";
     String b = "b";
     String c = "c";
     String s = a + b + c;
     这个就不一样了，最终结果等于：
       Stringbuffer temp = new Stringbuffer();
       temp.append(a).append(b).append(c);
       String s = temp.toString();
(6) Integer、Double等包装类和String有着同样的特性：不变类。
     String str = "abc"的内部工作机制很有代表性，以Boolean为例，说明同样的问题。
     不变类的属性一般定义为final，一旦构造完毕就不能再改变了。
     Boolean对象只有有限的两种状态：true和false，将这两个Boolean对象定义为命名常量：
     public static final Boolean TRUE = new Boolean(true);
     public static final Boolean FALSE = new Boolean(false);
     这两个命名常量和字符串常量一样，在常数池中分配空间。 Boolean.TRUE是一个引用，Boolean.FALSE是一个引用，而"abc"也是一个引用！由于Boolean.TRUE是类变量 （static）将静态地分配内存，所以需要很多Boolean对象时，并不需要用new表达式创建各个实例，完全可以共享这两个静态变量。其JDK中源 代码是：
     public static Boolean valueOf(boolean b) {
       return (b ? TRUE : FALSE);
     }
     基本数据(Primitive)类型的自动装箱(autoboxing)、拆箱(unboxing)是JSE 5.0提供的新功能。 Boolean b1 = 5>3; 等价于Boolean b1 = Boolean.valueOf(5>3); //优于Boolean b1 = new Boolean (5>3);
    static void foo(){
        boolean isTrue = 5>3;  //基本类型
        Boolean b1 = Boolean.TRUE; //静态变量创建的对象
        Boolean b2 = Boolean.valueOf(isTrue);//静态工厂
        Boolean b3 = 5>3;//自动装箱(autoboxing)
        System.out.println("b1 == b2 ?" +(b1 == b2));
        System.out.println("b1 == b3 ?" +(b1 == b3));
        Boolean b4 = new Boolean(isTrue);////不宜使用
        System.out.println("b1 == b4 ?" +(b1 == b4));//浪费内存、有创建实例的时间开销
    } //这里b1、b2、b3指向同一个Boolean对象。
(7) 如果问你：String x ="abc";创建了几个对象？
     准确的答案是：0或者1个。如果存在"abc"，则变量x持有"abc"这个引用，而不创建任何对象。
     如果问你：String str1 = new String("abc"); 创建了几个对象？
     准确的答案是：1或者2个。（至少1个在heap中）
(8) 对于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。
5、堆(Heap)和非堆(Non-heap)内存
     按照官方的说法：“Java 虚拟机具有一个堆，堆是运行时数据区域，所有类实例和数组的内存均从此处分配。堆是在 Java 虚拟机启动时创建的。”
     可以看出JVM主要管理两种类型的内存：堆和非堆。
     简单来说堆就是Java 代码可及的内存，是留给开发人员使用的；
     非堆就是JVM留给自己用的，所以方法区、JVM内部处理或优化所需的内存(如JIT编译后的代码缓存)、每个类结构(如运行时常数池、字段和方法数据) 以及方法和构造方法的代码都在非堆内存中。
堆内存分配
     JVM初始分配的内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64；
     JVM最大分配的内存由-Xmx指定，默认是物理内存的1/4。
     默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到-Xms的最小限制。
     因此服务器一般设置-Xms、-Xmx相等以避免在每次GC 后调整堆的大小。
非堆内存分配
     JVM使用-XX:PermSize设置非堆内存初始值，默认是物理内存的1/64；
     由XX:MaxPermSize设置最大非堆内存的大小，默认是物理内存的1/4。
例子
     -Xms256m
     -Xmx1024m
     -XX:PermSize=128M
     -XX:MaxPermSize=256M

 

 

6. Java中的析构方法finalize
    finalize()方法常称之为终止器
          protected void finalize(){
              // finalization code here
         }
    对象即将被销毁时，有时需要做一些善后工作。可以把这些操作写在finalize()方法里。
    Java终止器却是在对象被销毁时调用。一旦垃圾收集器准备好释放无用对象占用的存储空间，它首先调用那些对象的finalize()方法，然后才真正回 收对象的内存。而被丢弃的对象何时被销毁，应用是无法获知的。大多数场合，被丢弃对象在应用终止后仍未销毁。到程序结束的时候，并非所有收尾模块都会得到 调用。

7. 应用能干预垃圾回收吗？
    在应用代码里控制JVM的垃圾回收运作是不可能的事。
    对垃圾回收有两个途径。第一个就是将指向某对象的所有引用变量全部移走。这就相当于向JVM发了一个消息：这个对象不要了。第二个是调用库方法 System.gc()。第一个是一个告知，而调用System.gc()也仅仅是一个请求。JVM接受这个消息后，并不是立即做垃圾回收，而只是对几个 垃圾回收算法做了加权，使垃圾回收操作容易发生，或提早发生，或回收较多而已。
    希望JVM及时回收垃圾，是一种需求。其实，还有相反的一种需要：在某段时间内最好不要回收垃圾。要求运行速度最快的实时系统，特别是嵌入式系统，往往希望如此。
    Java的垃圾回收机制是为所有Java应用进程服务的，而不是为某个特定的进程服务的。因此，任何一个进程都不能命令垃圾回收机制做什么、怎么做或做多少。