Java中堆內(nèi)存與棧內(nèi)存分配淺析 收藏
Java 把內(nèi)存劃分成兩種：一種是棧內(nèi)存，另一種是堆內(nèi)存。在函數(shù)中定義的一些基本類型的變量和對象的引用變量都是在函數(shù)的棧內(nèi)存中分配，當(dāng)在一段代碼塊定義一個(gè)變量時(shí)，Java 就在棧中為這個(gè)變量分配內(nèi)存空間，當(dāng)超過變量的作用域后，Java 會(huì)自動(dòng)釋放掉為該變量分配的內(nèi)存空間，該內(nèi)存空間可以立即被另作它用。
堆內(nèi)存用來存放由 new 創(chuàng)建的對象和數(shù)組，在堆中分配的內(nèi)存，由 Java 虛擬機(jī)的自動(dòng)垃圾回收器來管理。在堆中產(chǎn)生了一個(gè)數(shù)組或者對象之后，還可以在棧中定義一個(gè)特殊的變量，讓棧中的這個(gè)變量的取值等于數(shù)組或?qū)ο笤诙褍?nèi)存中的首地址，棧中的這個(gè)變量就成了數(shù)組或?qū)ο蟮囊米兞浚院缶涂梢栽诔绦蛑惺褂脳Ｖ械囊米兞縼碓L問堆中的數(shù)組或者對象，引用變量就相當(dāng)于是為數(shù)組或者對象起的一個(gè)名稱。引用變量是普通的變量，定義時(shí)在棧中分配，引用變量在程序運(yùn)行到其作用域之外后被釋放。而數(shù)組和對象本身在堆中分配，即使程序運(yùn)行到使用 new 產(chǎn)生數(shù)組或者對象的語句所在的代碼塊之外，數(shù)組和對象本身占據(jù)的內(nèi)存不會(huì)被釋放，數(shù)組和對象在沒有引用變量指向它的時(shí)候，才變?yōu)槔?，不能在被使用，但仍然占?jù)內(nèi)存空間不放，在隨后的一個(gè)不確定的時(shí)間被垃圾回收器收走（釋放掉）。
這也是Java比較占內(nèi)存的原因，實(shí)際上，棧中的變量指向堆內(nèi)存中的變量，這就是 Java 中的指針！
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java中內(nèi)存分配策略及堆和棧的比較
2.1 內(nèi)存分配策略
按照編譯原理的觀點(diǎn),程序運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存分配有三種策略,分別是靜態(tài)的,棧式的,和堆式的.
靜態(tài)存儲(chǔ)分配是指在編譯時(shí)就能確定每個(gè)數(shù)據(jù)目標(biāo)在運(yùn)行時(shí)刻的存儲(chǔ)空間需求,因而在編譯時(shí)就可以給他們分配固定的內(nèi)存空間.這種分配策略要求程序代碼中不允許有可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(比如可變數(shù)組)的存在,也不允許有嵌套或者遞歸的結(jié)構(gòu)出現(xiàn),因?yàn)樗鼈兌紩?huì)導(dǎo)致編譯程序無法計(jì)算準(zhǔn)確的存儲(chǔ)空間需求.
棧式存儲(chǔ)分配也可稱為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配,是由一個(gè)類似于堆棧的運(yùn)行棧來實(shí)現(xiàn)的.和靜態(tài)存儲(chǔ)分配相反,在棧式存儲(chǔ)方案中,程序?qū)?shù)據(jù)區(qū)的需求在編譯時(shí)是完全未知的,只有到運(yùn)行的時(shí)候才能夠知道,但是規(guī)定在運(yùn)行中進(jìn)入一個(gè)程序模塊時(shí),必須知道該程序模塊所需的數(shù)據(jù)區(qū)大小才能夠?yàn)槠浞峙鋬?nèi)存.和我們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所熟知的棧一樣,棧式存儲(chǔ)分配按照先進(jìn)后出的原則進(jìn)行分配。
靜態(tài)存儲(chǔ)分配要求在編譯時(shí)能知道所有變量的存儲(chǔ)要求,棧式存儲(chǔ)分配要求在過程的入口處必須知道所有的存儲(chǔ)要求,而堆式存儲(chǔ)分配則專門負(fù)責(zé)在編譯時(shí)或運(yùn)行時(shí)模塊入口處都無法確定存儲(chǔ)要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存分配,比如可變長度串和對象實(shí)例.堆由大片的可利用塊或空閑塊組成,堆中的內(nèi)存可以按照任意順序分配和釋放.
2.2 堆和棧的比較
上面的定義從編譯原理的教材中總結(jié)而來,除靜態(tài)存儲(chǔ)分配之外,都顯得很呆板和難以理解,下面撇開靜態(tài)存儲(chǔ)分配,集中比較堆和棧:
從堆和棧的功能和作用來通俗的比較,堆主要用來存放對象的，棧主要是用來執(zhí)行程序的.而這種不同又主要是由于堆和棧的特點(diǎn)決定的:
在編程中，例如C/C++中，所有的方法調(diào)用都是通過棧來進(jìn)行的,所有的局部變量,形式參數(shù)都是從棧中分配內(nèi)存空間的。實(shí)際上也不是什么分配,只是從棧頂向上用就行,就好像工廠中的傳送帶(conveyor belt)一樣,Stack Pointer會(huì)自動(dòng)指引你到放東西的位置,你所要做的只是把東西放下來就行.退出函數(shù)的時(shí)候，修改棧指針就可以把棧中的內(nèi)容銷毀.這樣的模式速度最快, 當(dāng)然要用來運(yùn)行程序了.需要注意的是,在分配的時(shí)候,比如為一個(gè)即將要調(diào)用的程序模塊分配數(shù)據(jù)區(qū)時(shí),應(yīng)事先知道這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的大小,也就說是雖然分配是在程序運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的,但是分配的大小多少是確定的,不變的,而這個(gè)"大小多少"是在編譯時(shí)確定的,不是在運(yùn)行時(shí).
堆是應(yīng)用程序在運(yùn)行的時(shí)候請求操作系統(tǒng)分配給自己內(nèi)存，由于從操作系統(tǒng)管理的內(nèi)存分配,所以在分配和銷毀時(shí)都要占用時(shí)間，因此用堆的效率非常低.但是堆的優(yōu)點(diǎn)在于,編譯器不必知道要從堆里分配多少存儲(chǔ)空間，也不必知道存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)要在堆里停留多長的時(shí)間,因此,用堆保存數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)得到更大的靈活性。事實(shí)上,面向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)性,堆內(nèi)存分配是必不可少的,因?yàn)槎鄳B(tài)變量所需的存儲(chǔ)空間只有在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建了對象之后才能確定.在C++中，要求創(chuàng)建一個(gè)對象時(shí)，只需用 new命令編制相關(guān)的代碼即可。執(zhí)行這些代碼時(shí)，會(huì)在堆里自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存.當(dāng)然，為達(dá)到這種靈活性，必然會(huì)付出一定的代價(jià):在堆里分配存儲(chǔ)空間時(shí)會(huì)花掉更長的時(shí)間！這也正是導(dǎo)致我們剛才所說的效率低的原因,看來列寧同志說的好,人的優(yōu)點(diǎn)往往也是人的缺點(diǎn),人的缺點(diǎn)往往也是人的優(yōu)點(diǎn)(暈~).
2.3 JVM中的堆和棧
JVM是基于堆棧的虛擬機(jī).JVM為每個(gè)新創(chuàng)建的線程都分配一個(gè)堆棧.也就是說,對于一個(gè)Java程序來說，它的運(yùn)行就是通過對堆棧的操作來完成的。堆棧以幀為單位保存線程的狀態(tài)。JVM對堆棧只進(jìn)行兩種操作:以幀為單位的壓棧和出棧操作。
我們知道,某個(gè)線程正在執(zhí)行的方法稱為此線程的當(dāng)前方法.我們可能不知道,當(dāng)
前方法使用的幀稱為當(dāng)前幀。當(dāng)線程激活一個(gè)Java方法,JVM就會(huì)在線程的 Java堆棧里新壓入一個(gè)幀。這個(gè)幀自然成為了當(dāng)前幀.在此方法執(zhí)行期間,這個(gè)幀將用來保存參數(shù),局部變量,中間計(jì)算過程和其他數(shù)據(jù).這個(gè)幀在這里和編譯原理中的活動(dòng)紀(jì)錄的概念是差不多的.
從Java的這種分配機(jī)制來看,堆棧又可以這樣理解:堆棧(Stack)是操作系統(tǒng)在建立某個(gè)進(jìn)程時(shí)或者線程(在支持多線程的操作系統(tǒng)中是線程)為這個(gè)線程建立的存儲(chǔ)區(qū)域，該區(qū)域具有先進(jìn)后出的特性。
每一個(gè)Java應(yīng)用都唯一對應(yīng)一個(gè)JVM實(shí)例，每一個(gè)實(shí)例唯一對應(yīng)一個(gè)堆。應(yīng)用程序在運(yùn)行中所創(chuàng)建的所有類實(shí)例或數(shù)組都放在這個(gè)堆中,并由應(yīng)用所有的線程共享.跟C/C++不同，Java中分配堆內(nèi)存是自動(dòng)初始化的。Java中所有對象的存儲(chǔ)空間都是在堆中分配的，但是這個(gè)對象的引用卻是在堆棧中分配,也就是說在建立一個(gè)對象時(shí)從兩個(gè)地方都分配內(nèi)存，在堆中分配的內(nèi)存實(shí)際建立這個(gè)對象，而在堆棧中分配的內(nèi)存只是一個(gè)指向這個(gè)堆對象的指針(引用)而已。
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Java 中的堆和棧
Java把內(nèi)存劃分成兩種：一種是棧內(nèi)存，一種是堆內(nèi)存。
在函數(shù)中定義的一些基本類型的變量和對象的引用變量都在函數(shù)的棧內(nèi)存中分配。
當(dāng)在一段代碼塊定義一個(gè)變量時(shí)，Java就在棧中為這個(gè)變量分配內(nèi)存空間，當(dāng)超過變量的作用域后，Java會(huì)自動(dòng)釋放掉為該變量所分配的內(nèi)存空間，該內(nèi)存空間可以立即被另作他用。
堆內(nèi)存用來存放由new創(chuàng)建的對象和數(shù)組。
在堆中分配的內(nèi)存，由Java虛擬機(jī)的自動(dòng)垃圾回收器來管理。
在堆中產(chǎn)生了一個(gè)數(shù)組或?qū)ο蠛螅€可以在棧中定義一個(gè)特殊的變量，讓棧中這個(gè)變量的取值等于數(shù)組或?qū)ο笤诙褍?nèi)存中的首地址，棧中的這個(gè)變量就成了數(shù)組或?qū)ο蟮囊米兞俊?/div>
引用變量就相當(dāng)于是為數(shù)組或?qū)ο笃鸬囊粋€(gè)名稱，以后就可以在程序中使用棧中的引用變量來訪問堆中的數(shù)組或?qū)ο蟆?br>
具體的說：
棧與堆都是Java用來在Ram中存放數(shù)據(jù)的地方。與C++不同，Java自動(dòng)管理?xiàng)：投?，程序員不能直接地設(shè)置?；蚨?。
Java的堆是一個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū),類的(對象從中分配空間。這些對象通過new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，它們不需要程序代碼來顯式的釋放。堆是由垃圾回收來負(fù)責(zé)的，堆的優(yōu)勢是可以動(dòng)態(tài)地分配內(nèi)存大小，生存期也不必事先告訴編譯器，因?yàn)樗窃谶\(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的，Java的垃圾收集器會(huì)自動(dòng)收走這些不再使用的數(shù)據(jù)。但缺點(diǎn)是，由于要在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，存取速度較慢。
棧的優(yōu)勢是，存取速度比堆要快，僅次于寄存器，棧數(shù)據(jù)可以共享。但缺點(diǎn)是，存在棧中的數(shù)據(jù)大小與生存期必須是確定的，缺乏靈活性。棧中主要存放一些基本類型的變量（,int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和對象句柄。
棧有一個(gè)很重要的特殊性，就是存在棧中的數(shù)據(jù)可以共享。假設(shè)我們同時(shí)定義：
int a = 3;
int b = 3；
編譯器先處理int a = 3；首先它會(huì)在棧中創(chuàng)建一個(gè)變量為a的引用，然后查找棧中是否有3這個(gè)值，如果沒找到，就將3存放進(jìn)來，然后將a指向3。接著處理int b = 3；在創(chuàng)建完b的引用變量后，因?yàn)樵跅Ｖ幸呀?jīng)有3這個(gè)值，便將b直接指向3。這樣，就出現(xiàn)了a與b同時(shí)均指向3的情況。這時(shí)，如果再令a=4；那么編譯器會(huì)重新搜索棧中是否有4值，如果沒有，則將4存放進(jìn)來，并令a指向4；如果已經(jīng)有了，則直接將a指向這個(gè)地址。因此a值的改變不會(huì)影響到b的值。要注意這種數(shù)據(jù)的共享與兩個(gè)對象的引用同時(shí)指向一個(gè)對象的這種共享是不同的，因?yàn)檫@種情況a的修改并不會(huì)影響到b, 它是由編譯器完成的，它有利于節(jié)省空間。而一個(gè)對象引用變量修改了這個(gè)對象的內(nèi)部狀態(tài)，會(huì)影響到另一個(gè)對象引用變量。
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