Java中的堆疊機制以及堆記憶體和棧記憶體
阿新 • • 發佈：2019-01-05
java中記憶體分配策略及堆和棧的比較
1 記憶體分配策略
按照編譯原理的觀點,程式執行時的記憶體分配有三種策略,分別是靜態的,棧式的,和堆式的.
靜態儲存分配是指在編譯時就能確定每個資料目標在執行時刻的儲存空間需求,因而在編譯時就可以給他們分配固定的記憶體空間.這種分配策略要求程式程式碼中不允許有可變資料結構(比如可變陣列)的存在,也不允許有巢狀或者遞迴的結構出現,因為它們都會導致編譯程式無法計算準確的儲存空間需求.
棧式儲存分配也可稱為動態儲存分配,是由一個類似於堆疊的執行棧來實現的.和靜態儲存分配相反,在棧式儲存方案中,程式對資料區的需求在編譯時是完全未知的,只有到執行的時候才能夠知道,但是規定在執行中進入一個程式模組時,必須知道該程式模組所需的資料區大小才能夠為其分配記憶體.和我們在資料結構所熟知的棧一樣,棧式儲存分配按照先進後出的原則進行分配。
靜態儲存分配要求在編譯時能知道所有變數的儲存要求,棧式儲存分配要求在過程的入口處必須知道所有的儲存要求,而堆式儲存分配則專門負責在編譯時或執行時模組入口處都無法確定儲存要求的資料結構的記憶體分配,比如可變長度串和物件例項.堆由大片的可利用塊或空閒塊組成,堆中的記憶體可以按照任意順序分配和釋放.
2 堆和棧的比較
上面的定義從編譯原理的教材中總結而來,除靜態儲存分配之外,都顯得很呆板和難以理解,下面撇開靜態儲存分配,集中比較堆和棧:
從堆和棧的功能和作用來通俗的比較,堆主要用來存放物件的，棧主要是用來執行程式的
在程式設計中，例如C/C++中，所有的方法呼叫都是通過棧來進行的,所有的區域性變數,形式引數都是從棧中分配記憶體空間的。實際上也不是什麼分配,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會自動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.退出函式的時候，修改棧指標就可以把棧中的內容銷燬.這樣的模式速度最快, 當然要用來執行程式了.需要注意的是,在分配的時候,比如為一個即將要呼叫的程式模組分配資料區時,應事先知道這個資料區的大小,也就說是雖然分配是在程式執行時進行的,但是分配的大小多少是確定的,不變的,而這個"大小多少"是在編譯時確定的,不是在執行時.
堆是應用程式在執行的時候請求作業系統分配給自己記憶體，由於從作業系統管理的記憶體分配,所以在分配和銷燬時都要佔用時間，因此用堆的效率非常低.但是堆的優點在於,編譯器不必知道要從堆裡分配多少儲存空間，也不必知道儲存的資料要在堆裡停留多長的時間,因此,用堆儲存資料時會得到更大的靈活性。事實上,面向物件的多型性,堆記憶體分配是必不可少的,因為多型變數所需的儲存空間只有在執行時建立了物件之後才能確定.在C++中，要求建立一個物件時，只需用 new命令編制相關的程式碼即可。執行這些程式碼時，會在堆裡自動進行資料的儲存.當然，為達到這種靈活性，必然會付出一定的代價:在堆裡分配儲存空間時會花掉更長的時間!這也正是導致我們剛才所說的效率低的原因,看來列寧同志說的好,人的優點往往也是人的缺點,人的缺點往往也是人的優點(暈~).
3 JVM中的堆和棧
JVM是基於堆疊的虛擬機器.JVM為每個新建立的執行緒都分配一個堆疊.也就是說,對於一個Java程式來說，它的執行就是通過對堆疊的操作來完成的。堆疊以幀為單位儲存執行緒的狀態。JVM對堆疊只進行兩種操作:以幀為單位的壓棧和出棧操作。
我們知道,某個執行緒正在執行的方法稱為此執行緒的當前方法.我們可能不知道,當前方法使用的幀稱為當前幀。當執行緒啟用一個Java方法,JVM就會線上程的 Java堆疊裡新壓入一個幀。這個幀自然成為了當前幀.在此方法執行期間,這個幀將用來儲存引數,區域性變數,中間計算過程和其他資料.這個幀在這裡和編譯原理中的活動紀錄的概念是差不多的.
從Java的這種分配機制來看,堆疊又可以這樣理解:堆疊(Stack)是作業系統在建立某個程序時或者執行緒(在支援多執行緒的作業系統中是執行緒)為這個執行緒建立的儲存區域，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例項，每一個例項唯一對應一個堆。應用程式在執行中所建立的所有類例項或陣列都放在這個堆中,並由應用所有的執行緒共享.跟C/C++不同，Java中分配堆記憶體是自動初始化的。Java中所有物件的儲存空間都是在堆中分配的，但是這個物件的引用卻是在堆疊中分配,也就是說在建立一個物件時從兩個地方都分配記憶體，在堆中分配的記憶體實際建立這個物件，而在堆疊中分配的記憶體只是一個指向這個堆物件的指標(引用)而已。
Java 中的堆和棧
Java把記憶體劃分成兩種：一種是棧記憶體，一種是堆記憶體。
在函式中定義的一些基本型別的變數和物件的引用變數都在函式的棧記憶體中分配。
當在一段程式碼塊定義一個變數時，Java就在棧中為這個變數分配記憶體空間，當超過變數的作用域後，Java會自動釋放掉為該變數所分配的記憶體空間，該記憶體空間可以立即被另作他用。
堆記憶體用來存放由new建立的物件和陣列。
在堆中分配的記憶體，由Java虛擬機器的自動垃圾回收器來管理。
在堆中產生了一個數組或物件後，還可以在棧中定義一個特殊的變數，讓棧中這個變數的取值等於陣列或物件在堆記憶體中的首地址，棧中的這個變數就成了陣列或物件的引用變數。
引用變數就相當於是為陣列或物件起的一個名稱，以後就可以在程式中使用棧中的引用變數來訪問堆中的陣列或物件。
具體的說：
棧與堆都是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。
Java的堆是一個執行時資料區,類的(物件從中分配空間。這些物件通過new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，它們不需要程式程式碼來顯式的釋放。堆是由垃圾回收來負責的，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，因為它是在執行時動態分配記憶體的，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。
棧的優勢是，存取速度比堆要快，僅次於暫存器，棧資料可以共享。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。棧中主要存放一些基本型別的變數(,int, short, long, byte, float, double, boolean, char)和物件控制代碼。
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：
int a = 3;
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，然後查詢棧中是否有3這個值，如果沒找到，就將3存放進來，然後將a指向3。接著處理int b = 3;在建立完b的引用變數後，因為在棧中已經有3這個值，便將b直接指向3。這樣，就出現了a與b同時均指向3的情況。這時，如果再令a=4;那麼編譯器會重新搜尋棧中是否有4值，如果沒有，則將4存放進來，並令a指向4;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。要注意這種資料的共享與兩個物件的引用同時指向一個物件的這種共享是不同的，因為這種情況a的修改並不會影響到b, 它是由編譯器完成的，它有利於節省空間。而一個物件引用變數修改了這個物件的內部狀態，會影響到另一個物件引用變數
1 記憶體分配策略
按照編譯原理的觀點,程式執行時的記憶體分配有三種策略,分別是靜態的,棧式的,和堆式的.
靜態儲存分配是指在編譯時就能確定每個資料目標在執行時刻的儲存空間需求,因而在編譯時就可以給他們分配固定的記憶體空間.這種分配策略要求程式程式碼中不允許有可變資料結構(比如可變陣列)的存在,也不允許有巢狀或者遞迴的結構出現,因為它們都會導致編譯程式無法計算準確的儲存空間需求.
棧式儲存分配也可稱為動態儲存分配,是由一個類似於堆疊的執行棧來實現的.和靜態儲存分配相反,在棧式儲存方案中,程式對資料區的需求在編譯時是完全未知的,只有到執行的時候才能夠知道,但是規定在執行中進入一個程式模組時,必須知道該程式模組所需的資料區大小才能夠為其分配記憶體.和我們在資料結構所熟知的棧一樣,棧式儲存分配按照先進後出的原則進行分配。
靜態儲存分配要求在編譯時能知道所有變數的儲存要求,棧式儲存分配要求在過程的入口處必須知道所有的儲存要求,而堆式儲存分配則專門負責在編譯時或執行時模組入口處都無法確定儲存要求的資料結構的記憶體分配,比如可變長度串和物件例項.堆由大片的可利用塊或空閒塊組成,堆中的記憶體可以按照任意順序分配和釋放.
2 堆和棧的比較
上面的定義從編譯原理的教材中總結而來,除靜態儲存分配之外,都顯得很呆板和難以理解,下面撇開靜態儲存分配,集中比較堆和棧:
從堆和棧的功能和作用來通俗的比較,堆主要用來存放物件的，棧主要是用來執行程式的
在程式設計中，例如C/C++中，所有的方法呼叫都是通過棧來進行的,所有的區域性變數,形式引數都是從棧中分配記憶體空間的。實際上也不是什麼分配,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會自動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.退出函式的時候，修改棧指標就可以把棧中的內容銷燬.這樣的模式速度最快, 當然要用來執行程式了.需要注意的是,在分配的時候,比如為一個即將要呼叫的程式模組分配資料區時,應事先知道這個資料區的大小,也就說是雖然分配是在程式執行時進行的,但是分配的大小多少是確定的,不變的,而這個"大小多少"是在編譯時確定的,不是在執行時.
堆是應用程式在執行的時候請求作業系統分配給自己記憶體，由於從作業系統管理的記憶體分配,所以在分配和銷燬時都要佔用時間，因此用堆的效率非常低.但是堆的優點在於,編譯器不必知道要從堆裡分配多少儲存空間，也不必知道儲存的資料要在堆裡停留多長的時間,因此,用堆儲存資料時會得到更大的靈活性。事實上,面向物件的多型性,堆記憶體分配是必不可少的,因為多型變數所需的儲存空間只有在執行時建立了物件之後才能確定.在C++中，要求建立一個物件時，只需用 new命令編制相關的程式碼即可。執行這些程式碼時，會在堆裡自動進行資料的儲存.當然，為達到這種靈活性，必然會付出一定的代價:在堆裡分配儲存空間時會花掉更長的時間!這也正是導致我們剛才所說的效率低的原因,看來列寧同志說的好,人的優點往往也是人的缺點,人的缺點往往也是人的優點(暈~).
3 JVM中的堆和棧
JVM是基於堆疊的虛擬機器.JVM為每個新建立的執行緒都分配一個堆疊.也就是說,對於一個Java程式來說，它的執行就是通過對堆疊的操作來完成的。堆疊以幀為單位儲存執行緒的狀態。JVM對堆疊只進行兩種操作:以幀為單位的壓棧和出棧操作。
我們知道,某個執行緒正在執行的方法稱為此執行緒的當前方法.我們可能不知道,當前方法使用的幀稱為當前幀。當執行緒啟用一個Java方法,JVM就會線上程的 Java堆疊裡新壓入一個幀。這個幀自然成為了當前幀.在此方法執行期間,這個幀將用來儲存引數,區域性變數,中間計算過程和其他資料.這個幀在這裡和編譯原理中的活動紀錄的概念是差不多的.
從Java的這種分配機制來看,堆疊又可以這樣理解:堆疊(Stack)是作業系統在建立某個程序時或者執行緒(在支援多執行緒的作業系統中是執行緒)為這個執行緒建立的儲存區域，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例項，每一個例項唯一對應一個堆。應用程式在執行中所建立的所有類例項或陣列都放在這個堆中,並由應用所有的執行緒共享.跟C/C++不同，Java中分配堆記憶體是自動初始化的。Java中所有物件的儲存空間都是在堆中分配的，但是這個物件的引用卻是在堆疊中分配,也就是說在建立一個物件時從兩個地方都分配記憶體，在堆中分配的記憶體實際建立這個物件，而在堆疊中分配的記憶體只是一個指向這個堆物件的指標(引用)而已。
Java 中的堆和棧
Java把記憶體劃分成兩種：一種是棧記憶體，一種是堆記憶體。
在函式中定義的一些基本型別的變數和物件的引用變數都在函式的棧記憶體中分配。
當在一段程式碼塊定義一個變數時，Java就在棧中為這個變數分配記憶體空間，當超過變數的作用域後，Java會自動釋放掉為該變數所分配的記憶體空間，該記憶體空間可以立即被另作他用。
堆記憶體用來存放由new建立的物件和陣列。
在堆中分配的記憶體，由Java虛擬機器的自動垃圾回收器來管理。
在堆中產生了一個數組或物件後，還可以在棧中定義一個特殊的變數，讓棧中這個變數的取值等於陣列或物件在堆記憶體中的首地址，棧中的這個變數就成了陣列或物件的引用變數。
引用變數就相當於是為陣列或物件起的一個名稱，以後就可以在程式中使用棧中的引用變數來訪問堆中的陣列或物件。
具體的說：
棧與堆都是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。
Java的堆是一個執行時資料區,類的(物件從中分配空間。這些物件通過new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，它們不需要程式程式碼來顯式的釋放。堆是由垃圾回收來負責的，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，因為它是在執行時動態分配記憶體的，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。
棧的優勢是，存取速度比堆要快，僅次於暫存器，棧資料可以共享。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。棧中主要存放一些基本型別的變數(,int, short, long, byte, float, double, boolean, char)和物件控制代碼。
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：
int a = 3;
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，然後查詢棧中是否有3這個值，如果沒找到，就將3存放進來，然後將a指向3。接著處理int b = 3;在建立完b的引用變數後，因為在棧中已經有3這個值，便將b直接指向3。這樣，就出現了a與b同時均指向3的情況。這時，如果再令a=4;那麼編譯器會重新搜尋棧中是否有4值，如果沒有，則將4存放進來，並令a指向4;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。要注意這種資料的共享與兩個物件的引用同時指向一個物件的這種共享是不同的，因為這種情況a的修改並不會影響到b, 它是由編譯器完成的，它有利於節省空間。而一個物件引用變數修改了這個物件的內部狀態，會影響到另一個物件引用變數