java内存分配及变量存储

Java内存分配与管理是Java的核心技术之一，之前我们曾介绍过Java的内存管理与内存泄露以及Java垃圾回收方面的知识，今天我们再次深入Java核心，详细介绍一下Java在内存分配方面的知识。一般Java在内存分配时会涉及到以下区域：

　　◆寄存器：我们在程序中无法控制

　　◆栈：存放基本类型的数据和对象的引用，但对象本身不存放在栈中，而是存放在堆中（new 出来的对象）

　　◆堆：存放用new产生的数据

　　◆静态域：存放在对象中用static定义的静态成员

　　◆常量池：存放常量

　　◆非RAM存储：硬盘等永久存储空间

一、Java内存分配中的栈

　　在方法中定义的一些基本类型的变量数据和对象的引用变量都在方法的栈内存中分配。(栈是线程安全的)


　　当在一段代码块定义一个变量时，Java就在栈中为这个变量分配内存空间，当该变量退出该作用域后，Java会自动释放掉为该变量所分配的内存空间，该内存空间可以立即被另作他用。栈中的数据大小和生命周期是可以确定的，当没有引用指向数据时，这个数据就会消失。

二、Java内存分配中的堆

　　堆内存用来存放由new创建的对象和数组。在堆中分配的内存，由Java虚拟机的自动垃圾回收器来管理(非线程安全)

　　在堆中产生了一个数组或对象后，还可以在栈中定义一个特殊的变量，让栈中这个变量的取值等于数组或对象在堆内存中的首地址，栈中的这个变量就成了数组或对象的引用变量。引用变量就相当于是为数组或对象起的一个名称，以后就可以在程序中使用栈中的引用变量来访问堆中的数组或对象。

　　引用变量是普通的变量，定义时在栈中分配，引用变量在程序运行到其作用域之外后被释放。而数组和对象本身在堆中分配，即使程序运行到使用 new 产生数组或者对象的语句所在的代码块之外，数组和对象本身占据的内存不会被释放，数组和对象在没有引用变量指向它的时候，才变为垃圾，不能再被使用，但仍然占据内存空间不放，在随后的一个不确定的时间被垃圾回收器收走（释放掉）。这也是 Java 比较占内存的原因。

　　实际上，栈中的变量指向堆内存中的变量，这就是Java中的指针！ 

三、堆与栈

　　Java的堆是一个运行时数据区,类的(对象从中分配空间。这些对象通过new、newarray、 anewarray和multianewarray等指令建立，它们不需要程序代码来显式的释放。堆是由垃圾回收来负责的，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，因为它是在运行时动态分配内存的，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。

　　栈的优势是，存取速度比堆要快，仅次于寄存器，栈数据可以共享。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。栈中主要存放一些基本类型的变量数据（int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和对象句柄(引用)。

    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：

　Java代码


　  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，然后查找栈中是否有3这个值，如果没找到，就将3存放进来，然后将a指向3。接着处理int b = 3；在创建完b的引用变量后，因为在栈中已经有3这个值，便将b直接指向3。这样，就出现了a与b同时均指向3的情况。

　　这时，如果再令 a=4；那么编译器会重新搜索栈中是否有4值，如果没有，则将4存放进来，并令a指向4；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。

　　要注意这种数据的共享与两个对象的引用同时指向一个对象的这种共享是不同的，因为这种情况a的修改并不会影响到b, 它是由编译器完成的，它有利于节省空间。而一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态，会影响到另一个对象引用变量。

Java代码 

    int i1 = 9;  
    int i2 = 9;  
    int i3 = 9;   
    public static final int INT1 = 9;  
    public static final int INT2 = 9;  
    public static final int INT3 = 9; 

对于成员变量和局部变量：成员变量就是方法外部，类的内部定义的变量；局部变量就是方法或语句块内部定义的变量。局部变量必须初始化。
形式参数是局部变量，局部变量的数据存在于栈内存中。栈内存中的局部变量随着方法的消失而消失。
成员变量存储在堆中的对象里面，由垃圾回收器负责回收。
如以下Java代码：

class BirthDate {
private int day; 
private int month; 
private int year;     
public BirthDate(int d, int m, int y) { 
day = d;  
month = m;  
year = y; 
}
//省略set/get方法
}


public class Test{
public void change(int i){ 
i = 1234; 
}  

public static void main(String args[]){ 
int date = 9; 
Test test = new Test();       
test.change(date);  
BirthDate d1= new BirthDate(7,7,1970);        
}   
}
 
对于以上这段代码，date为局部变量，i,d,m,y都是形参为局部变量，day，month，year为成员变量。下面分析一下代码执行时候的变化：
1. main方法开始执行：int date = 9;
date局部变量，基础类型，引用和值都存在栈中。
2. Test test = new Test();
test为对象引用，存在栈中，对象(new Test())存在堆中。
3. test.change(date);
i为局部变量，引用和值存在栈中。当方法change执行完成后，i就会从栈中消失。
4. BirthDate d1= new BirthDate(7,7,1970); 
d1 为对象引用，存在栈中，对象(new BirthDate())存在堆中，其中d，m，y为局部变量存储在栈中，且它们的类型为基础类型，因此它们的数据也存储在栈中。 day,month,year为成员变量，它们存储在堆中(new BirthDate()里面)。当BirthDate构造方法执行完之后，d,m,y将从栈中消失。
5.main方法执行完之后，date变量，test，d1引用将从栈中消失，new Test(),new BirthDate()将等待垃圾回收。

四、常量池 (constant pool)

　　常量池指的是在编译期被确定，并被保存在已编译的.class文件中的一些数据。

除了包含代码中所定义的各种基本类型（如int、long等等）和对象型（如String及数组）的常量值(final)还包含一些以文本形式出现的符号引用，比如：

　　◆类和接口的全限定名；

　　◆字段的名称和描述符；

　　◆方法和名称和描述符。


如果是编译期已经创建好(直接用双引号定义的)的就存储在常量池中，如果是运行期（new出来的）才能确定的就存储在堆中。对于equals相等的字符串，在常量池中永远只有一份，在堆中有多份String是一个特殊的包装类数据。可以用：

　　Java代码

　　String str = new String("abc");


        String str = "abc";


　　两种的形式来创建，第一种是用new()来新建对象的，它会在存放于堆中。每调用一次就会创建一个新的对象。而第二种是先在栈中创建一个对 String类的对象引用变量str，然后通过符号引用去字符串常量池里找有没有"abc",如果没有，则将"abc"存放进字符串常量池，并令str指向”abc”，如果已经有”abc” 则直接令str指向“abc”。


　　比较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==，下面用例子说明上面的理论。


　　Java代码

       String str1 = "abc";
    
       String str2 = "abc";

　　System.out.println(str1==str2) //true


　　可以看出str1和str2是指向同一个对象的。


　　Java代码


　　String str1 =new String ("abc");

       String str2 =new String ("abc");

       System.out.println(str1==str2); // false


　　用new的方式是生成不同的对象。每一次生成一个。


　　因此用第二种方式创建多个”abc”字符串,在内存中其实只存在一个对象而已. 这种写法有利于节省内存空间. 同时它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。


　　另一方面, 要注意: 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，创建了String类的对象str。担心陷阱！对象可能并没有被创建！而可能只是指向一个先前已经创建的对象。只有通过new()方法才能保证每次都创建一个新的对象。


String常量池问题的几个例子

示例1：


Java代码


　　String s0="kvill";

       String s1="kvill";

       String s2="kv" + "ill";

       System.out.println( s0==s1 );

       System.out.println( s0==s2 );


　　结果为：


　　true

　　true


分析：首先，我们要知道Java会确保一个字符串常量只有一个拷贝。


　　因为例子中的 s0和s1中的”kvill”都是字符串常量，它们在编译期就被确定了，所以s0==s1为true；而”kv”和”ill”也都是字符串常量，当一个字符串由多个字符串常量连接而成时，它自己肯定也是字符串常量，所以s2也同样在编译期就被解析为一个字符串常量，所以s2也是常量池中”kvill”的一个引用。所以我们得出s0==s1==s2；


示例2：


示例：


　　Java代码


　　String s0="kvill";

       String s1=new String("kvill");

       String s2="kv" + new String("ill");

       System.out.println( s0==s1 );

       System.out.println( s0==s2 );

       System.out.println( s1==s2 );


　　结果为：


　　false

　　false

　　false


分析：用new String()创建的字符串不是常量，不能在编译期就确定，所以new String() 创建的字符串不放入常量池中，它们有自己的地址空间。


s0还是常量池中"kvill”的引用，s1因为无法在编译期确定，所以是运行时创建的新对象”kvill”的引用，s2因为有后半部分 new String(”ill”)所以也无法在编译期确定，所以也是一个新创建对象”kvill”的应用;明白了这些也就知道为何得出此结果了。


示例3：


Java代码


　  String a = "a1";

      String b = "a" + 1;

      System.out.println(a == b); //result = true 

      String a = "atrue";

      String b = "a" + "true";

      System.out.println(a == b); //result = true 

      String a = "a3.4";

      String b = "a" + 3.4;

      System.out.println(a == b); //result = true


分析：JVM对于字符串常量的"+"号连接，将程序编译期，JVM就将常量字符串的"+"连接优化为连接后的值，拿"a" + 1来说，经编译器优化后在class中就已经是a1。在编译期其字符串常量的值就确定下来，故上面程序最终的结果都为true。


示例4：


Java代码


　  String a = "ab";

      String bb = "b";

      String b = "a" + bb;

      System.out.println(a == b); //result = false
分析：JVM对于字符串引用，由于在字符串的"+"连接中，有字符串引用存在，而引用的值在程序编译期是无法确定的，即"a" + bb无法被编译器优化，只有在程序运行期来动态分配并将连接后的新地址赋给b。所以上面程序的结果也就为false。


示例5：

Java代码

    String a = "ab";

    final String bb = "b";

    String b = "a" + bb;

    System.out.println(a == b); //result = true


分析：和[4]中唯一不同的是bb字符串加了final修饰，对于final修饰的变量，它在编译时被解析为常量值的一个本地拷贝存储到自己的常量池中或嵌入到它的字节码流中。所以此时的"a" + bb和"a" + "b"效果是一样的。故上面程序的结果为true。


示例6：

Java代码

　　String a = "ab";

      final String bb = getBB();

      String b = "a" + bb;

      System.out.println(a == b); //result = false


      private static String getBB() {
    return "b"; 
      }


分析：JVM对于字符串引用bb，它的值在编译期无法确定，只有在程序运行期调用方法后，将方法的返回值和"a"来动态连接并分配地址为b，故上面程序的结果为false。


关于String是不可变的，通过上面例子可以得知：

       String s = "a" + "b" + "c";

　　就等价于String s =  "abc";

　　String a = "a";
 
       String b = "b";

       String c = "c";

　　String s  =   a + b + c;

　　这个就不一样了，最终结果等于：

　　Java代码


　　 StringBuffer temp = new StringBuffer();

        temp.append(a).append(b).append(b);

        String s = temp.toString();


　　由上面的分析结果，可就不难推断出String采用连接运算符（+）效率低下原因分析，形如这样的代码：


　　Java代码


　　public class Test {

        public static void main(String args[]) {

            String s = null;

            for(int i = 0; i < 100; i++) {

                s += "a";

　　        }

　　   }

　　}


　　每做一次 + 就产生个StringBuilder对象，然后append后就扔掉。下次循环再到达时重新产生个StringBuilder对象，然后 append 字符串，如此循环直至结束。如果我们直接采用 StringBuilder 对象进行 append 的话，我们可以节省 N - 1 次创建和销毁对象的时间。所以对于在循环中要进行字符串连接的应用，一般都是用StringBuffer或StringBulider对象来进行 append操作。


　　由于String类的immutable性质,这一说又要说很多，大家只要知道String的实例一旦生成就不会再改变了，比如说：String str=”kv”+”ill”+” “+”ans”; 就是有4个字符串常量，首先”kv”和”ill”生成了”kvill”存在内存中，然后”kvill”又和” ” 生成 “kvill “存在内存中，最后又和生成了”kvill ans”;并把这个字符串的地址赋给了str,就是因为String的”不可变”产生了很多临时变量，这也就是为什么建议用StringBuffer的原因了，因为StringBuffer是可改变的。

五、String中的final用法和理解

　　Java代码


　　 final StringBuffer a = new StringBuffer("111");

        final StringBuffer b = new StringBuffer("222");

        a=b;//此句编译不通过

        final StringBuffer a = new StringBuffer("111");

        a.append("222");// 编译通过


　　可见，final只对引用的"值"(即内存地址)有效，它迫使引用只能指向初始指向的那个对象，改变它的指向会导致编译期错误。至于它所指向的对象的变化，final是不负责的。

总结

　　栈中用来存放一些原始数据类型的局部变量数据和对象的引用(String,数组.对象等等)但不存放对象内容

　　堆中存放使用new关键字创建的对象.

　　字符串是一个特殊包装类,其引用是存放在栈里的,而对象内容必须根据创建方式不同定(常量池和堆).有的是编译期就已经创建好，存放在字符串常量池中，而有的是运行时才被创建.使用new关键字，存放在堆中。