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关于Java栈与堆的思考

Posted on 2010-10-04 11:23 viery 阅读(95) 评论(0)  编辑  收藏 所属分类: JavaSE
      1. 栈(stack)与堆(heap)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。

  2. 栈的优势是,存取速度比堆要快,仅次于直接位于CPU中的寄存器。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。另外,栈数据可以共享,详见第3点。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,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。

  3. Java中的数据类型有两种。

  一种是基本类型(primitive types), 共有8种,即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意,并没有string的基本类型)。这种类型的定义是通过诸如int a = 3; long b = 255L;的形式来定义的,称为自动变量。值得注意的是,自动变量存的是字面值,不是类的实例,即不是类的引用,这里并没有类的存在。如int a = 3; 这里的a是一个指向int类型的引用,指向3这个字面值。这些字面值的数据,由于大小可知,生存期可知(这些字面值固定定义在某个程序块里面,程序块退出后,字段值就消失了),出于追求速度的原因,就存在于栈中。

  另外,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。

  特别注意的是,这种字面值的引用与类对象的引用不同。假定两个类对象的引用同时指向一个对象,如果一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态,那么另一个对象引用变量也即刻反映出这个变化。相反,通过字面值的引用来修改其值,不会导致另一个指向此字面值的引用的值也跟着改变的情况。如上例,我们定义完a与b的值后,再令a=4;那么,b不会等于4,还是等于3。在编译器内部,遇到a=4;时,它就会重新搜索栈中是否有4的字面值,如果没有,重新开辟地址存放4的值;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。

  另一种是包装类数据,如Integer, String, Double等将相应的基本数据类型包装起来的类。这些类数据全部存在于堆中,Java用new()语句来显示地告诉编译器,在运行时才根据需要动态创建,因此比较灵活,但缺点是要占用更多的时间。 4. String是一个特殊的包装类数据。即可以用String str = new String("abc");的形式来创建,也可以用String str = "abc";的形式来创建(作为对比,在JDK 5.0之前,你从未见过Integer i = 3;的表达式,因为类与字面值是不能通用的,除了String。而在JDK 5.0中,这种表达式是可以的!因为编译器在后台进行Integer i = new Integer(3)的转换)。前者是规范的类的创建过程,即在Java中,一切都是对象,而对象是类的实例,全部通过new()的形式来创建。Java中的有些类,如DateFormat类,可以通过该类的getInstance()方法来返回一个新创建的类,似乎违反了此原则。其实不然。该类运用了单例模式来返回类的实例,只不过这个实例是在该类内部通过new()来创建的,而getInstance()向外部隐藏了此细节。那为什么在String str = "abc";中,并没有通过new()来创建实例,是不是违反了上述原则?其实没有。

  5. 关于String str = "abc"的内部工作。Java内部将此语句转化为以下几个步骤:

  (1)先定义一个名为str的对String类的对象引用变量:String str;

  (2)在栈中查找有没有存放值为"abc"的地址,如果没有,则开辟一个存放字面值为"abc"的地址,接着创建一个新的String类的对象o,并将o的字符串值指向这个地址,而且在栈中这个地址旁边记下这个引用的对象o。如果已经有了值为"abc"的地址,则查找对象o,并返回o的地址。
       
           String str = "abc";在栈中如果没有存放值为"abc"的地址,等同于:
           String temp=new String("abc");
           String str=temp;

  (3)将str指向对象o的地址。

  值得注意的是,一般String类中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc";这种场合下,其字符串值却是保存了一个指向存在栈中数据的引用!

  为了更好地说明这个问题,我们可以通过以下的几个代码进行验证。

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

  注意,我们这里并不用str1.equals(str2);的方式,因为这将比较两个字符串的值是否相等。==号,根据JDK的说明,只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。而我们在这里要看的是,str1与str2是否都指向了同一个对象。
结果说明,JVM创建了两个引用str1和str2,但只创建了一个对象,而且两个引用都指向了这个对象。

  我们再来更进一步,将以上代码改成:

String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
str1 = "bcd";
System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc
System.out.println(str1==str2); //false

  这就是说,赋值的变化导致了类对象引用的变化,str1指向了另外一个新对象!而str2仍旧指向原来的对象。上例中,当我们将str1的值改为"bcd"时,JVM发现在栈中没有存放该值的地址,便开辟了这个地址,并创建了一个新的对象,其字符串的值指向这个地址。

  事实上,String类被设计成为不可改变(immutable)的类。如果你要改变其值,可以,但JVM在运行时根据新值悄悄创建了一个新对象,然后将这个对象的地址返回给原来类的引用。这个创建过程虽说是完全自动进行的,但它毕竟占用了更多的时间。在对时间要求比较敏感的环境中,会带有一定的不良影响。

  再修改原来代码:

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这个对象的引用直接指向str1所指向的对象(注意,str3并没有创建新对象)。当str1改完其值后,再创建一个String的引用str4,并指向因str1修改值而创建的新的对象。可以发现,这回str4也没有创建新的对象,从而再次实现栈中数据的共享。

  我们再接着看以下的代码。

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

  创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。

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


  创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。

  以上两段代码说明,只要是用new()来新建对象的,都会在堆中创建,而且其字符串是单独存值的,即使与栈中的数据相同,也不会与栈中的数据共享。
    

        注:对于字符串连接
                 
                  (1) String str=”1”+”2”+”3”+”4”;
                  产生:
                             12
                             123
                             1234
                  会在串池中产生多余对象,而真正我们需要的只有最后一个对象,用这种方式进行字符串连接时,不管在时间上还是在空间上都会造成相当大的浪费。所以我们应该使用 StringBuffer(线程安全的) 或者 StringBuilder(线程不安全的)。
  
                解决方案:
                String s;
                StringBuffer sb = new StringBuffer(“1”);
                Sb.append(“2”);
                Sb.append(“3”);
                Sb.append(“4”);
                S = sb.toString();
                解决后的方案比解决前在运行的时间上相差2个数量级。


               (2)比较分析下面

                 public class Test {
                     private static String s = "string";

                     public static void main(String a[]) {

                     String t = "strin" + "g";
                     System.out.println(t == s);//true -----【1】

                     String t1 = "strin";
                     String t2 = "g";
                     String t3 = t1+t2;
                     System.out.println(t3 == s);//false-----【2】

 }
               分析结果:对于【1】结果为true,字符串s="string"和String t = "strin" + "g"是在编译时就确定了,JVM编译器在对于String t = "strin" + "g",会将其在编译期优化为"string",所以【1】的结果是true。对于【2】结果为false,因为String t1 = "strin"和String t2 = "g"在编译期是无法确定的,只能在运行期动态的分配空间,故String t3 = t1 + t2操作后,t3的地址和s所指向的地址就不一样,所以【2】的结果是false。只有字符串常量在编译期就确定下来,字符串引用只能在运行期来动态分配。
               通过上面的程序,可以知道,JAVA常量池中存储的String是在编译时就产生的!
所以"String"=="Strin"+"g"(编译时能获得这"两"个String,并认为它们是一致的),但是t1+t2或(t1+"*"),在编译时是不会识别的,只有在运行时才能知道它们到底是什么,所以t1+t2或(t1+"*")得到的String,已经不是在JAVA池中的,String,t3!=s也就正常了。

  6. 数据类型包装类的值不可修改。不仅仅是String类的值不可修改,所有的数据类型包装类都不能更改其内部的值。

        7. 结论与建议:

  (1)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,我们创建了String类的对象str。担心陷阱!对象可能并没有被创建!唯一可以肯定的是,指向String类的引用被创建了。至于这个引用到底是否指向了一个新的对象,必须根据上下文来考虑,除非你通过new()方法来显要地创建一个新的对象。因此,更为准确的说法是,我们创建了一个指向String类的对象的引用变量str,这个对象引用变量指向了某个值为"abc"的String类。清醒地认识到这一点对排除程序中难以发现的bug是很有帮助的。

  (2)使用String str = "abc";的方式,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。这个思想应该是享元模式的思想,但JDK的内部在这里实现是否应用了这个模式,不得而知。

  (3)当比较包装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==。

  (4)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。

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。


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