澳门新浦京8455comjava 堆栈内存分析详解

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本文主要通过分析Java内存分配的栈、堆以以及常量池详细的讲解了其的工作原理。

 java程序运行在JVM(java Virtual
Machine,java虚拟机)上,可以把JVM理解成java程序和操作系统之间的桥梁,JVM实现了java平台的无关性,由此可见JVM的重要性。所以在学习java内存分配原理的时候一定要牢记这一切都是在JVM中进行的,JVM是内存分配的基础和前提。一个运行时的Java虚拟机实例的天职是:负责运行一个java程序。当启动一个Java程序时,一个虚拟机实例也就诞生了。当该程序关闭退出,这个虚拟机实例也就随之消亡。如果同一台计算机上同时运行三个Java程序,将得到三个Java虚拟机实例。每个Java程序都运行于它自己的Java虚拟机实例中。

     计算机术语里面堆和栈代表不同的存储结构:stack-栈;heap-堆

一、java虚拟机内存原型

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。

JVM的体系结构包含几个主要的子系统和内存区:

垃圾回收器(Garbage
Collection)
:负责回收堆内存(Heap)中没有被使用的对象,即这些对象已经没有被引用了。

类装载子系统(Classloader
Sub-System)
:除了要定位和导入二进制class文件外,还必须负责验证被导入类的正确性,为类变量分配并初始化内存,以及帮助解析符号引用。

执行引擎(Execution
Engine)
:负责执行那些包含在被装载类的方法中的指令。

运行时数据区(Java Memory Allocation
Area)
:又叫虚拟机内存或者Java内存,虚拟机运行时需要从整个计算机内存划分一块内存区域存储许多东西。例如:字节码、从已装载的class文件中得到的其他信息、程序创建的对象、传递给方法的参数,返回值、局部变量等等。

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     所以java虚拟机(JVM)中堆和栈是两种内存

二、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:

1、类和接口的全限定名;

2、字段的名称和描述符;

3、方法和名称和描述符。

虚拟机必须为每个被装载的类型维护一个常量池。常量池就是该类型所用到常量的一个有序集和,包括直接常量(string,integer和floating
point常量)和对其他类型,字段和方法的符号引用。对于String常量,它的值是在常量池中的。而JVM中的常量池在内存当中是以表的形式存在的,
对于String类型,有一张固定长度的CONSTANT_String_info表用来存储文字字符串值,注意:该表只存储文字字符串值,不存储符号引
用。说到这里,对常量池中的字符串值的存储位置应该有一个比较明了的理解了。在程序执行的时候,常量池
会储存在Method Area,而不是堆中。

java内存分区

 运行数据区即是Java内存,而且数据区要存储的东西比较多,如果不对这块区域进行划分管理,会显得比较杂乱无章。因此根据存储数据的不同,java内存被划分为五个区域:程序计数器(Program
Count Register)、本地方法栈(Native Stack)、方法区(Method
Area)、栈(Stack)、堆(Heap)。

程序计数器(Program Count
Register)
:又叫程序寄存器,JVM支持多个线程同时运行,当每一个线程被创建时
,它都将得到它自己的寄存器(程序计数器),如果线程正在执行时一个Java方法(非
native),那么PC寄存器总是指向下一条将被执行的指令,如果方法是native,程序计数器的值不会被定义。JVM的程序计数器寄存器的宽度足够保证可以持有一个返回地址或者native的指针。

栈(Stack):又叫堆栈。JVM为每个新创建的线程都分配一个栈。对一个JAVA程序来说,它的运行就是通过对栈的操作来完成的。栈以帧为单位保存线程的状态。JVM对栈只进行两种操作: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。当前线程激活一个Java方法,JVM就会在线程的堆栈里新压入一个帧,这个帧当然成为当前帧。在此方法执行期间,这个帧将用来保存参数,局部变量(包括:a.用来保存基本数据类型的值;b.保存类的实例,即堆区对象的引用(指针));

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。

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。

如以下代码:

Java代码

1.class BirthDate {

2.    private int day;

3.    private int month;

4.    private int year;

5.    public BirthDate(int d, int m, int y) {

6.        day = d;

7.        month = m;

8.        year = y;

9.    }

10.    省略get,set方法………

11.}

12.

13.public class Test{

14.    public static void main(String args[]){

15.int date = 9;

16.        Test test = new Test();

17.           test.change(date);

18.        BirthDate d1= new BirthDate(7,7,1970);

19.    }

20.

21.    public void change1(int i){

22.        i = 1234;

23.    }

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。

  1. Test test = new Test();

test为对象引用,存在栈中,对象(new Test())存在堆中。

  1. 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。

  1. 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。

-Xss –设置方法栈的最大

本地方法栈(Native Stack):存储本地方方法的调用状态。

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方法区(Method
Area)
:当虚拟机装载一个class文件时,它会从这个class文件包含的二进制数据中解析类型信息,然后把这些类型信息(包括类信息、常量、静态变量等)放到方法区中,该内存区域被所有线程共享,如下图所示。本地方法区存在一块特殊的内存区域,叫常量池(Constant
Pool),这块内存将与String类型的分析密切相关。

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        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.
这种写法有利与节省内存空间.
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(http://blog.csdn.net/gaopeng0071/article/details/11741027)

堆(Heap):Java堆(Java
Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被线程共享的一块内存区域。在此区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都是在这里分配内存,但是这个对象的引用确是在栈(stack)中分配。因此String
s = new
String(“s”)时,需要从两个地方分配内存:在堆中为String对象分配内存,在栈中为引用(这个堆对象的内存地址,即指针)分配内存,如下图所示

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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。

java虚拟机有一条在堆中分配新对象的指令,却没有释放内存的指令,正如你无法用java代码区明确释放一个对象一样。虚拟机自己负责决定如何以及何时释放不再被运行的程序引用的对象所占据的内存,通常,虚拟机把这个任务交给垃圾收集器(Garbage
Collection)。其相关设置参数:

-Xms — 设置堆内存初始大小

-Xmx — 设置堆内存最大值

堆、栈对比
对比点
JVM中的功能 内存数据区 内存指令区
动静态 运行时数据区,动态地分配内存大小  
存储数据 对象实例(保存对象实例,实际上是保存对象实例的属性值,属性的类型和对象本身的类型标记等,并不保存对象的方法(方法是指令,保存在stack中)。对象实例在heap中分配好以后,需要在stack中保存一个4字节的heap内存地址,用来定位该对象实例在heap中的位置,便于找到该对象实例) 基本数据类型, 指令代码,常量,对象的引用地址(基本数据类型包括byte、int、char、long、float、double、boolean和short,函数方法属于指令)
回收方式 由垃圾回收来负责 超过变量的作用域后,自动释放
优缺点 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。

三、Java内存分配中的栈

栈的基本单位是帧(或栈帧):每当一个java线程运行的时候,
java虚拟机会为该线程分配一个java栈。该线程在执行某个java方法的时候,
向java栈压入一个帧,这个帧用于存储参数、局部变量、操作数、中间运算结果等。当这个方法执行完的时候,帧会从栈中弹出。Java栈上的所有数据是私有的,其他线程都不能该线程的栈数据。在函数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函数的栈内存中分配。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。

 

四、Java内存分配中的堆

java虚拟机中的堆用来存放由new创建的对象和数组。
在堆中分配的内存,由Java虚拟机的自动的垃圾回收机制来管理堆的内存。简单的说和栈相对,堆主要是用来存放java对象的,栈主要是用来存放对象引用的…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。引用变量就相当于是为数组或者对象起的一个名称。

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,不能在被使用,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!

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:

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。

栈:相当于内存指令区  ,存储着基本数据类型,
指令代码,常量,对象的引用地址(基本数据类型包括byte、int、char、long、float、double、boolean和short,函数方法属于指令)。

堆:是一个运行时数据区,内存数据区,
存储着对象实例,保存对象实例,实际上是保存对象实例的属性值,属性的类型和对象本身的类型标记等,并不保存对象的方法(方法是指令,保存在stack中)。对象实例在heap中分配好以后,需要在stack中保存一个4字节的heap内存地址,用来定位该对象实例在heap中的位置,便于找到该对象实例。

 

网上流传的一些堆栈的描述:

在函数中定义的一些基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。当在一段代码块中定义一个变量时,java就在栈中为这个变量分配内存空间,当超过变量的作用域后,java会自动释放掉为该变量分配的内存空间,该内存空间可以立刻被另作他用。

堆内存用于存放由new创建的对象和数组。在堆中分配的内存,由java虚拟机自动垃圾回收器来管理。在堆中产生了一个数组或者对象后,还可以在栈中定义一个特殊的变量,这个变量的取值等于数组或者对象在堆内存中的首地址,在栈中的这个特殊的变量就变成了数组或者对象的引用变量,以后就可以在程序中使用栈内存中的引用变量来访问堆中的数组或者对象,引用变量相当于为数组或者对象起的一个别名,或者代号。

引用变量是普通变量,定义时在栈中分配内存,引用变量在程序运行到作用域外释放。而数组&对象本身在堆中分配,即使程序运行到使用new产生数组和对象的语句所在地代码块之外,数组和对象本身占用的堆内存也不会被释放,数组和对象在没有引用变量指向它的时候,才变成垃圾,不能再被使用,但是仍然占着内存,在随后的一个不确定的时间被垃圾回收器释放掉。这个也是java比较占内存的主要原因,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!

 

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。 

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.

 

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(,int,
short, long, byte, float, double, boolean, char)和对象句柄。 

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

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