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Java中的堆和棧以及堆疊的區別

  在正式內容開始之前要說明一點,我們經常所說的堆疊堆疊是堆和棧統稱,堆是堆,棧是棧,合在一起統稱堆疊;

  1.棧(stack)與堆(heap)都是Java用來在Ram中存放資料的地方。與C++不同,Java自動管理棧和堆,程式設計師不能直接地設定棧或堆。 

  2. 棧的優勢是,存取速度比堆要快,僅次於直接位於CPU中的暫存器。但缺點是,存在棧中的資料大小與生存期必須是確定的,缺乏靈活性。另外,棧資料可以共 享,詳見第3點。堆的優勢是可以動態地分配記憶體大小,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資料。但缺點是,由於要 在執行時動態分配記憶體,存取速度較慢。 



  3. Java中的資料型別有兩種。 

  一種是基本型別(primitive types), 共有8種,即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意,並沒有string的基本型別)。這種型別的定義是通過諸如int a = 3; long b = 255L;的形式來定義的,稱為自動變數。值得注意的是,自動變數存的是字面值,不是類的例項,即不是類的引用,這裡並沒有類的存在。如int a = 3; 這裡的a是一個指向int型別的引用,指向3這個字面值。這些字面值的資料,由於大小可知,生存期可知(這些字面值固定定義在某個程式塊裡面,程式塊退出 後,欄位值就消失了),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,就是存在棧中的資料可以共享。假設我們同時定義: 

1 int a = 3;
2 int b = 3;

  

  編譯器先處理int a = 3;首先它會在棧中建立一個變數為a的引用,然後查詢有沒有字面值為3的地址,沒找到,就開闢一個存放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;在建立完b的引用變數後,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。 

  特別注意的是,這種字面值的引用與類物件的引用不同。假定兩個類物件的引用同時指向一個物件,如果一個物件引用變數修改了這個物件的內部狀態,那麼另 一個物件引用變數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;那麼,b不會等於4,還是等於3。在編譯器內部,遇到a=4;時,它就會重新搜尋棧中是否有4的字面值,如果沒有,重新開闢地 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。 



  另一種是包裝類資料,如Integer, String, Double 等將相應的基本資料型別包裝起來的類。這些類資料全部存在於堆中,Java用new()語句來顯示地告訴編譯器,在執行時才根據需要動態創 建,因此比較靈活,但缺點是要佔用更多的時間。 4. String是一個特殊的包裝類資料。即可以用String str = new String("abc");的形式來建立,也可以用String str = "abc";的形式來建立(作為對比,在JDK 5.0之前,你從未見過Integer i = 3;的表示式,因為類與字面值是不能通用的,除了String。而在JDK 5.0中,這種表示式是可以的!因為編譯器在後臺進行Integer i = new Integer(3)的轉換)。前者是規範的類的建立過程,即在Java中,一切都是物件,而物件是類的例項,全部通過new()的形式來建立。Java 中的有些類,如DateFormat類,可以通過該類的getInstance()方法來返回一個新建立的類,似乎違反了此原則。其實不然。該類運用了單 例模式來返回類的例項,只不過這個例項是在該類內部通過new()來建立的,而getInstance()向外部隱藏了此細節。那為什麼在String str = "abc";中,並沒有通過new()來建立例項,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類的物件引用變數:String str; 

  (2)在棧中查詢有沒有存放值為"abc"的地址,如果沒有,則開闢一個存放字面值為"abc"的地址,接著建立一個新的String類的物件o,並 將o的字串值指向這個地址,而且在棧中這個地址旁邊記下這個引用的物件o。如果已經有了值為"abc"的地址,則查詢物件o,並返回o的地址。 

  (3)將str指向物件o的地址。 

  值得注意的是,一般String類中字串值都是直接存值的。但像String str = "abc";這種場合下,其字串值卻是儲存了一個指向存在棧中資料的引用! 

  為了更好地說明這個問題,我們可以通過以下的幾個程式碼進行驗證。 

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

 


  注意,我們這裡並不用str1.equals(str2);的方式,因為這將比較兩個字串的值是否相等。==號,根據JDK的說明,只有在兩個引用都指向了同一個物件時才返回真值。而我們在這裡要看的是,str1與str2是否都指向了同一個物件。 
結果說明,JVM建立了兩個引用str1和str2,但只建立了一個物件,而且兩個引用都指向了這個物件。 

  我們再來更進一步,將以上程式碼改成: 

1 String str1 = "abc"; 
2 String str2 = "abc"; 
3 str1 = "bcd"; 
4 System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc 
5 System.out.println(str1==str2); //false 

 


  這就是說,賦值的變化導致了類物件引用的變化,str1指向了另外一個新物件!而str2仍舊指向原來的物件。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,便開闢了這個地址,並建立了一個新的物件,其字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在執行時根據新值悄悄建立了一個新物件,然 後將這個物件的地址返回給原來類的引用。這個建立過程雖說是完全自動進行的,但它畢竟佔用了更多的時間。在對時間要求比較敏感的環境中,會帶有一定的不良 影響。 

  再修改原來程式碼: 

 1 String str1 = "abc"; 
 2 String str2 = "abc"; 
 3 
 4 str1 = "bcd"; 
 5 
 6 String str3 = str1; 
 7 System.out.println(str3); //bcd 
 8 
 9 String str4 = "bcd"; 
10 System.out.println(str1 == str4); //true 

 



  str3這個物件的引用直接指向str1所指向的物件(注意,str3並沒有建立新物件)。當str1改完其值後,再建立一個String的引用 str4,並指向因str1修改值而建立的新的物件。可以發現,這回str4也沒有建立新的物件,從而再次實現棧中資料的共享。 

  我們再接著看以下的程式碼。 

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


  建立了兩個引用。建立了兩個物件。兩個引用分別指向不同的兩個物件。 

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


  建立了兩個引用。建立了兩個物件。兩個引用分別指向不同的兩個物件。 

  以上兩段程式碼說明,只要是用new()來新建物件的,都會在堆中建立,而且其字串是單獨存值的,即使與棧中的資料相同,也不會與棧中的資料共享。 

  6. 資料型別包裝類的值不可修改。不僅僅是String類的值不可修改,所有的資料型別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,我們建立了String類的物件str。擔心陷阱!物件可能並沒有被建立!唯一可以肯定的是,指向 String類的引用被建立了。至於這個引用到底是否指向了一個新的物件,必須根據上下文來考慮,除非你通過new()方法來顯要地建立一個新的物件。因 此,更為準確的說法是,我們建立了一個指向String類的物件的引用變數str,這個物件引用變數指向了某個值為"abc"的String類。清醒地認 識到這一點對排除程式中難以發現的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式的執行速度,因為JVM會自動根據棧中資料的實際情況來決定是否有必要建立新物件。而對於String str = new String("abc");的程式碼,則一概在堆中建立新物件,而不管其字串值是否相等,是否有必要建立新物件,從而加重了程式的負擔。這個思想應該是 享元模式的思想,但JDK的內部在這裡實現是否應用了這個模式,不得而知。 

  (3)當比較包裝類裡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物件時,用==。 

  (4)由於String類的immutable性質,當String變數需要經常變換其值時,應該考慮使用StringBuffer類,以提高程式效率。 

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棧(stack):是一個先進後出的資料結構,通常用於儲存方法(函式)中的引數,區域性變數. 
在java中,所有基本型別和引用型別都在棧中儲存.棧中資料的生存空間一般在當前scopes內(就是由{...}括起來的區域). 

堆(heap):是一個可動態申請的記憶體空間(其記錄空閒記憶體空間的連結串列由作業系統維護),C中的malloc語句所產生的記憶體空間就在堆中. 
在java中,所有使用new xxx()構造出來的物件都在堆中儲存,當垃圾回收器檢測到某物件未被引用,則自動銷燬該物件.所以,理論上說java中物件的生存空間是沒有限制的,只要有引用型別指向它,則它就可以在任意地方被使用. 

在JAVA中,有六個不同的地方可以儲存資料: 
1. 暫存器(register)。這是最快的儲存區,因為它位於不同於其他儲存區的地方——處理器內部。但是暫存器的數量極其有限,所以暫存器由編譯器根據需求進行分配。你不能直接控制,也不能在程式中感覺到暫存器存在的任何跡象。 
2. 棧(stack)。位於通用RAM中,但通過它的“棧指標”可以從處理器哪裡獲得支援。棧指標若向下移動,則分配新的記憶體;若向上移動,則釋放那些 記憶體。這是一種快速有效的分配儲存方法,僅次於暫存器。建立程式時候,JAVA編譯器必須知道儲存在棧內所有資料的確切大小和生命週期,因為它必須生成 相應的程式碼,以便上下移動棧指標。這一約束限制了程式的靈活性,所以雖然某些JAVA資料儲存在棧中——特別是物件引用,但是JAVA物件不儲存其 中。 
3. 堆(heap)。一種通用性的記憶體池(也存在於RAM中),用於存放所以的JAVA物件。堆不同於棧的好處是:編譯器不需要知道要從堆裡分配多少儲存區 域,也不必知道儲存的資料在堆裡存活多長時間。因此,在堆裡分配儲存有很大的靈活性。當你需要建立一個物件的時候,只需要new寫一行簡單的程式碼,當執行 這行程式碼時,會自動在堆裡進行儲存分配。當然,為這種靈活性必須要付出相應的程式碼。用堆進行儲存分配比用堆疊進行儲存儲存需要更多的時間。 
4. 靜態儲存(static storage)。這裡的“靜態”是指“在固定的位置”。靜態儲存裡存放程式執行時一直存在的資料。你可用關鍵字static來標識一個物件的特定元素是靜態的,但JAVA物件本身從來不會存放在靜態儲存空間裡。 
5. 常量儲存(constant storage)。常量值通常直接存放在程式程式碼內部,這樣做是安全的,因為它們永遠不會被改變。有時,在嵌入式系統中,常量本身會和其他部分分割離開,所以在這種情況下,可以選擇將其放在ROM中 
6. 非RAM儲存。如果資料完全存活於程式之外,那麼它可以不受程式的任何控制,在程式沒有執行時也可以存在。 
就速度來說,有如下關係: 
暫存器 < 棧 < 堆 < 其他 

『上面這段話摘取之《Thinking in Java》』 

在這裡,主要要說下堆與棧的關係: 

堆:堆是heap,是所謂的動態記憶體,其中的記憶體在不需要時可以回收,以分配給新的記憶體請求,其記憶體中的資料是無序的,即先分配的和隨後分配的記憶體並沒有什麼必然的位置關係,釋放時也可以沒有先後順序。一般由使用者自由分配,malloc分配的就是堆,需要手動釋放。 

棧:就是STACK。實際上是隻有一個出入口的佇列,即後進先出(First In Last Out),先分配的記憶體必定後釋放。一般由,由系統自動分配,存放存放函式的引數值,區域性變數等,自動清除。 

還有,堆是全域性的,棧是每個函式進入的時候分一小塊,函式返回的時候就釋放了,靜態和全域性變數,new 得到的變數,都放在堆中,區域性變數放在堆疊中,所以函式返回,區域性變數就全沒了。 

其實在實際應用中,棧多用來儲存方法的呼叫。而堆則用於物件的儲存。 

JAVA中的基本型別,其實需要特殊對待。因為,在JAVA中,通過new建立的物件儲存在“堆”中,所以用new 建立一個小的、簡單的變數,如基本型別等,往往不是很有效。因此,在JAVA中,對於這些型別,採用了與C、C++相同的方法。也就是說,不用new 來建立,而是建立一個並非是“引用”的“自動”變數。這個變數擁有它的“值”,並置於棧中,因此更高效。 

 

<<<<以上內容均摘取自liuyueyue的部落格,本處引用時略作的細微的修改,作為自己學習Java基礎底層之用。