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Java裏的堆(heap)棧(stack)和方法區(method)

sample malloc 靈活 gif 寄存器 範例 sam windows 初始

基礎數據類型直接在棧空間分配, 方法的形式參數,直接在棧空間分配,當方法調用完成後從棧空間回收。 引用數據類型,需要用new來創建,既在棧空間分配一個地址空間,又在堆空間分配對象的類變量 。 方法的引用參數,在棧空間分配一個地址空間,並指向堆空間的對象區,當方法調用完成後從棧空間回收。局部變量 new 出來時,在棧空間和堆空間中分配空間,當局部變量生命周期結束後,棧空間立刻被回收,堆空間區域等待GC回收。 方法調用時傳入的 literal 參數,先在棧空間分配,在方法調用完成後從棧空間分配。字符串常量在 DATA 區域分配 ,this 在堆空間分配 。數組既在棧空間分配數組名稱, 又在堆空間分配數組實際的大小!
哦 對了,補充一下static在DATA區域分配。

從Java的這種分配機制來看,堆棧又可以這樣理解:堆棧(Stack)是操作系統在建立某個進程時或者線程(在支持多線程的操作系統中是線程)為這個線程建立的存儲區域,該區域具有先進後出的特性。
每一個Java應用都唯一對應一個JVM實例,每一個實例唯一對應一個堆。應用程序在運行中所創建的所有類實例或數組都放在這個堆中,並由應用所有的線程共享.跟C/C++不同,Java中分配堆內存是自動初始化的。Java中所有對象的存儲空間都是在堆中分配的,但是這個對象的引用卻是在堆棧中分配,也就是說在建立一個對象時從兩個地方都分配內存,在堆中分配的內存實際建立這個對象,而在堆棧中分配的內存只是一個指向這個堆對象的指針(引用)而已。

<二>

這兩天看了一下深入淺出JVM這本書,推薦給高級的java程序員去看,對你了解JAVA的底層和運行機制有
比較大的幫助。
廢話不想講了.入主題:
先了解具體的概念:
JAVA的JVM的內存可分為3個區:堆(heap)、棧(stack)和方法區(method)

堆區:
1.存儲的全部是對象,每個對象都包含一個與之對應的class的信息。(class的目的是得到操作指令)
2.jvm只有一個堆區(heap)被所有線程共享,堆中不存放基本類型和對象引用,只存放對象本身
棧區:
1.每個線程包含一個棧區,棧中只保存基礎數據類型的對象和自定義對象的引用(不是對象),對象都存放在堆區中
2.每個棧中的數據(原始類型和對象引用)都是私有的,其他棧不能訪問。
3.棧分為3個部分:基本類型變量區、執行環境上下文、操作指令區(存放操作指令)。
方法區:
1.又叫靜態區,跟堆一樣,被所有的線程共享。方法區包含所有的class和static變量。
2.方法區中包含的都是在整個程序中永遠唯一的元素,如class,static變量。
為了更清楚地搞明白發生在運行時數據區裏的黑幕,我們來準備2個小道具(2個非常簡單的小程序)。
AppMain.java

Java代碼
  1. public class AppMain //運行時, jvm 把appmain的信息都放入方法區
  2. {
  3. public static void main(String[] args) //main 方法本身放入方法區。
  4. {
  5. Sample test1 = new Sample( " 測試1 " ); //test1是引用,所以放到棧區裏, Sample是自定義對象應該放到堆裏面
  6. Sample test2 = new Sample( " 測試2 " );
  7. test1.printName();
  8. test2.printName();
  9. }
  10. } Sample.java
  11. public class Sample //運行時, jvm 把appmain的信息都放入方法區
  12. {
  13. /** 範例名稱 */
  14. private name; //new Sample實例後, name 引用放入棧區裏, name 對象放入堆裏
  15. /** 構造方法 */
  16. public Sample(String name)
  17. {
  18. this .name = name;
  19. }
  20. /** 輸出 */
  21. public
    void printName() //print方法本身放入 方法區裏。
  22. {
  23. System.out.println(name);
  24. }
  25. }


OK,讓我們開始行動吧,出發指令就是:“java AppMain”,包包裏帶好我們的行動向導圖,Let’s GO!

技術分享

系統收到了我們發出的指令,啟動了一個Java虛擬機進程,這個進程首先從classpath中找到AppMain.class文件,讀取這個文件中的二進制數據,然後把Appmain類的類信息存放到運行時數據區的方法區中。這一過程稱為AppMain類的加載過程。

接著,Java虛擬機定位到方法區中AppMain類的Main()方法的字節碼,開始執行它的指令。這個main()方法的第一條語句就是:
Sample test1=new Sample("測試1");
語句很簡單啦,就是讓java虛擬機創建一個Sample實例,並且呢,使引用變量test1引用這個實例。貌似小case一樁哦,就讓我們來跟蹤一下Java虛擬機,看看它究竟是怎麽來執行這個任務的:
1、 Java虛擬機一看,不就是建立一個Sample實例嗎,簡單,於是就直奔方法區而去,先找到Sample類的類型信息再說。結果呢,嘿嘿,沒找到@@,這會兒的方法區裏還沒有Sample類呢。可Java虛擬機也不是一根筋的笨蛋,於是,它發揚“自己動手,豐衣足食”的作風,立馬加載了Sample類,把Sample類的類型信息存放在方法區裏。
2、 好啦,資料找到了,下面就開始幹活啦。Java虛擬機做的第一件事情就是在堆區中為一個新的Sample實例分配內存, 這個Sample實例持有著指向方法區的Sample類的類型信息的引用。這裏所說的引用,實際上指的是Sample類的類型信息在方法區中的內存地址,其實,就是有點類似於C語言裏的指針啦~~,而這個地址呢,就存放了在Sample實例的數據區裏。
3、 在JAVA虛擬機進程中,每個線程都會擁有一個方法調用棧,用來跟蹤線程運行中一系列的方法調用過程,棧中的每一個元素就被稱為棧幀,每當線程調用一個方法的時候就會向方法棧壓入一個新幀。這裏的幀用來存儲方法的參數、局部變量和運算過程中的臨時數據。OK,原理講完了,就讓我們來繼續我們的跟蹤行動!位於“=”前的Test1是一個在main()方法中定義的變量,可見,它是一個局部變量,因此,它被會添加到了執行main()方法的主線程的JAVA方法調用棧中。而“=”將把這個test1變量指向堆區中的Sample實例,也就是說,它持有指向Sample實例的引用。
OK,到這裏為止呢,JAVA虛擬機就完成了這個簡單語句的執行任務。參考我們的行動向導圖,我們終於初步摸清了JAVA虛擬機的一點點底細了,COOL!
接下來,JAVA虛擬機將繼續執行後續指令,在堆區裏繼續創建另一個Sample實例,然後依次執行它們的printName()方法。當JAVA虛擬機執行test1.printName()方法時,JAVA虛擬機根據局部變量test1持有的引用,定位到堆區中的Sample實例,再根據Sample實例持有的引用,定位到方法去中Sample類的類型信息,從而獲得printName()方法的字節碼,接著執行printName()方法包含的指令。

<三>

在windows中使用taskmanager查看java進程使用的內存時,發現有時候會超過 -Xmx制定的內存大小, -Xmx指定的是java heap,java還要分配內存做其他的事情,包括為每個線程建立棧。
VM的每個線程都有自己的棧空間,棧空間的大小限制vm的線程數量,太大了,實用的線程數減少,太小容易拋出java.lang.StackOverflowError異常。windows默認為1M,linux必須運行ulimit -s 2048。
在C語言裏堆(heap)和棧(stack)裏的區別
簡單的可以理解為:
heap:是由malloc之類函數分配的空間所在地。地址是由低向高增長的。
stack:是自動分配變量,以及函數調用的時候所使用的一些空間。地址是由高向低減少。
一個由c/C++編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分
1、棧區(stack)— 由編譯器自動分配釋放 ,存放函數的參數值,局部變量的值等。其操作方式類似於數據結構中的棧。
2、在Java語言裏堆(heap)和棧(stack)裏的區別
1. 棧(stack)與堆(heap)都是Java用來在Ram中存放數據的地方。與C++不同,Java自動管理棧和堆,程序員不能直接地設置棧或堆。
  2. 棧的優勢是,存取速度比堆要快,僅次於直接位於CPU中的寄存器。但缺點是,存在棧中的數據大小與生存期必須是確定的,缺乏靈活性。另外,棧數據可以共享,詳見第3點。堆的優勢是可以動態地分配內存大小,生存期也不必事先告訴編譯器,Java的垃圾收集器會自動收走這些不再使用的數據。但缺點是,由於要在運行時動態分配內存,存取速度較慢。
  3. Java中的數據類型有兩種。
  一種是基本類型(primitive types), 共有8種,即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(註意,並沒有string的基本類型)。這種類型的定義是通過諸如int a = 3; long b = 255L;的形式來定義的,稱為自動變量。值得註意的是,自動變量存的是字面值,不是類的實例,即不是類的引用,這裏並沒有類的存在。如int a = 3; 這裏的a是一個指向int類型的引用,指向3這個字面值。這些字面值的數據,由於大小可知,生存期可知(這些字面值固定定義在某個程序塊裏面,程序塊退出後,字段值就消失了),出於追求速度的原因,就存在於棧中。
  另外,棧有一個很重要的特殊性,就是存在棧中的數據可以共享。假設我們同時定義
  int a = 3;
  int b = 3;
  編譯器先處理int a = 3;首先它會在棧中創建一個變量為a的引用,然後查找有沒有字面值為3的地址,沒找到,就開辟一個存放3這個字面值的地址,然後將a指向3的地址。接著處理int b = 3;在創建完b的引用變量後,由於在棧中已經有3這個字面值,便將b直接指向3的地址。這樣,就出現了a與b同時均指向3的情況。
  特別註意的是,這種字面值的引用與類對象的引用不同。假定兩個類對象的引用同時指向一個對象,如果一個對象引用變量修改了這個對象的內部狀態,那麽另一個對象引用變量也即刻反映出這個變化。相反,通過字面值的引用來修改其值,不會導致另一個指向此字面值的引用的值也跟著改變的情況。如上例,我們定義完a與 b的值後,再令a=4;那麽,b不會等於4,還是等於3。在編譯器內部,遇到a=4;時,它就會重新搜索棧中是否有4的字面值,如果沒有,重新開辟地址存放4的值;如果已經有了,則直接將a指向這個地址。因此a值的改變不會影響到b的值。
  另一種是包裝類數據,如Integer, String, Double等將相應的基本數據類型包裝起來的類。這些類數據全部存在於堆中,Java用new()語句來顯示地告訴編譯器,在運行時才根據需要動態創建,因此比較靈活,但缺點是要占用更多的時間。
4.每個JVM的線程都有自己的私有的棧空間,隨線程創建而創建,java的stack存放的是frames ,java的stack和c的不同,只是存放本地變量,返回值和調用方法,不允許直接push和pop frames ,因為frames 可能是有heap分配的,所以j為ava的stack分配的內存不需要是連續的。java的heap是所有線程共享的,堆存放所有 runtime data ,裏面是所有的對象實例和數組,heap是JVM啟動時創建。
  5. String是一個特殊的包裝類數據。即可以用String str = new String("abc");的形式來創建,也可以用String str = "abc";的形式來創建(作為對比,在JDK 5.0之前,你從未見過Integer i = 3;的表達式,因為類與字面值是不能通用的,除了String。而在JDK 5.0中,這種表達式是可以的!因為編譯器在後臺進行Integer i = new Integer(3)的轉換)。前者是規範的類的創建過程,即在Java中,一切都是對象,而對象是類的實例,全部通過new()的形式來創建。Java 中的有些類,如DateFormat類,可以通過該類的getInstance()方法來返回一個新創建的類,似乎違反了此原則。其實不然。該類運用了單例模式來返回類的實例,只不過這個實例是在該類內部通過new()來創建的,而getInstance()向外部隱藏了此細節。那為什麽在String str = "abc";中,並沒有通過new()來創建實例,是不是違反了上述原則?其實沒有。
  5. 關於String str = "abc"的內部工作。Java內部將此語句轉化為以下幾個步驟:
  (1)先定義一個名為str的對String類的對象引用變量:String str;
  (2)在棧中查找有沒有存放值為"abc"的地址,如果沒有,則開辟一個存放字面值為"abc"的地址,接著創建一個新的String類的對象o,並將o 的字符串值指向這個地址,而且在棧中這個地址旁邊記下這個引用的對象o。如果已經有了值為"abc"的地址,則查找對象o,並返回o的地址。
  (3)將str指向對象o的地址。
  值得註意的是,一般String類中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc";這種場合下,其字符串值卻是保存了一個指向存在棧中數據的引用!
為了更好地說明這個問題,我們可以通過以下的幾個代碼進行驗證。
  String str1 = "abc";
  String str2 = "abc";
  System.out.println(str1==str2); //true
  註意,我們這裏並不用str1.equals(str2);的方式,因為這將比較兩個字符串的值是否相等。==號,根據JDK的說明,只有在兩個引用都指向了同一個對象時才返回真值。而我們在這裏要看的是,str1與str2是否都指向了同一個對象。
  結果說明,JVM創建了兩個引用str1和str2,但只創建了一個對象,而且兩個引用都指向了這個對象。
  我們再來更進一步,將以上代碼改成:
  String str1 = "abc";
  String str2 = "abc";
  str1 = "bcd";
  System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc
  System.out.println(str1==str2); //false
  這就是說,賦值的變化導致了類對象引用的變化,str1指向了另外一個新對象!而str2仍舊指向原來的對象。上例中,當我們將str1的值改為"bcd"時,JVM發現在棧中沒有存放該值的地址,便開辟了這個地址,並創建了一個新的對象,其字符串的值指向這個地址。
  事實上,String類被設計成為不可改變(immutable)的類。如果你要改變其值,可以,但JVM在運行時根據新值悄悄創建了一個新對象,然後將這個對象的地址返回給原來類的引用。這個創建過程雖說是完全自動進行的,但它畢竟占用了更多的時間。在對時間要求比較敏感的環境中,會帶有一定的不良影響。
  再修改原來代碼:
  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
  str3 這個對象的引用直接指向str1所指向的對象(註意,str3並沒有創建新對象)。當str1改完其值後,再創建一個String的引用str4,並指向因str1修改值而創建的新的對象。可以發現,這回str4也沒有創建新的對象,從而再次實現棧中數據的共享。
  我們再接著看以下的代碼。
  String str1 = new String("abc");
  String str2 = "abc";
  System.out.println(str1==str2); //false
  創建了兩個引用。創建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。
  String str1 = "abc";
  String str2 = new String("abc");
  System.out.println(str1==str2); //false
  創建了兩個引用。創建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。
  以上兩段代碼說明,只要是用new()來新建對象的,都會在堆中創建,而且其字符串是單獨存值的,即使與棧中的數據相同,也不會與棧中的數據共享。
  6. 數據類型包裝類的值不可修改。不僅僅是String類的值不可修改,所有的數據類型包裝類都不能更改其內部的值。
  7. 結論與建議:
  (1)我們在使用諸如String str = "abc";的格式定義類時,總是想當然地認為,我們創建了String類的對象str。擔心陷阱!對象可能並沒有被創建!唯一可以肯定的是,指向 String類的引用被創建了。至於這個引用到底是否指向了一個新的對象,必須根據上下文來考慮,除非你通過new()方法來顯要地創建一個新的對象。因此,更為準確的說法是,我們創建了一個指向String類的對象的引用變量str,這個對象引用變量指向了某個值為"abc"的String類。清醒地認識到這一點對排除程序中難以發現的bug是很有幫助的。
  (2)使用String str = "abc";的方式,可以在一定程度上提高程序的運行速度,因為JVM會自動根據棧中數據的實際情況來決定是否有必要創建新對象。而對於String str = new String("abc");的代碼,則一概在堆中創建新對象,而不管其字符串值是否相等,是否有必要創建新對象,從而加重了程序的負擔。這個思想應該是享元模式的思想,但JDK的內部在這裏實現是否應用了這個模式,不得而知。
  (3)當比較包裝類裏面的數值是否相等時,用equals()方法;當測試兩個包裝類的引用是否指向同一個對象時,用==。
  (4)由於String類的immutable性質,當String變量需要經常變換其值時,應該考慮使用StringBuffer類,以提高程序效率。
如果java不能成功分配heap的空間,將拋出OutOfMemoryError

技術分享

Java裏的堆(heap)棧(stack)和方法區(method)