java 內(nèi)存分配深入理解

         本文將由淺入深詳細介紹java內(nèi)存分配的原理，以幫助新手更輕松的學(xué)習(xí)java。這類文章網(wǎng)上有很多，但大多比較零碎。本文從認(rèn)知過程角度出發(fā)，將帶給讀者一個系統(tǒng)的介紹。

         進入正題前首先要知道的是java程序運行在jvm(java  virtual machine，java虛擬機)上，可以把jvm理解成java程序和操作系統(tǒng)之間的橋梁，jvm實現(xiàn)了java的平臺無關(guān)性，由此可見jvm的重要性。所以在學(xué)習(xí)java內(nèi)存分配原理的時候一定要牢記這一切都是在jvm中進行的，jvm是內(nèi)存分配原理的基礎(chǔ)與前提。

         簡單通俗的講，一個完整的java程序運行過程會涉及以下內(nèi)存區(qū)域：

         l  寄存器：jvm內(nèi)部虛擬寄存器，存取速度非常快，程序不可控制。

         l  棧：保存局部變量的值，包括：1.用來保存基本數(shù)據(jù)類型的值；2.保存類的實例，即堆區(qū)對象的引用(指針)。也可以用來保存加載方法時的幀。

         l  堆：用來存放動態(tài)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，比如new出來的對象。注意創(chuàng)建出來的對象只包含屬于各自的成員變量，并不包括成員方法。因為同一個類的對象擁有各自的成員變量，存儲在各自的堆中，但是他們共享該類的方法，并不是每創(chuàng)建一個對象就把成員方法復(fù)制一次。

         l  常量池：jvm為每個已加載的類型維護一個常量池，常量池就是這個類型用到的常量的一個有序集合。包括直接常量(基本類型，string)和對其他類型、方法、字段的符號引用(1)。池中的數(shù)據(jù)和數(shù)組一樣通過索引訪問。由于常量池包含了一個類型所有的對其他類型、方法、字段的符號引用，所以常量池在java的動態(tài)鏈接中起了核心作用。常量池存在于堆中。

         l  代碼段：用來存放從硬盤上讀取的源程序代碼。

         l  數(shù)據(jù)段：用來存放static定義的靜態(tài)成員。

下面是內(nèi)存表示圖：

          上圖中大致描述了java內(nèi)存分配，接下來通過實例詳細講解java程序是如何在內(nèi)存中運行的（注：以下圖片引用自尚學(xué)堂馬士兵老師的j2se課件，圖右側(cè)是程序代碼，左側(cè)是內(nèi)存分配示意圖，我會一一加上注釋）。

預(yù)備知識：

         1.一個java文件，只要有main入口方法，我們就認(rèn)為這是一個java程序，可以單獨編譯運行。

         2.無論是普通類型的變量還是引用類型的變量(俗稱實例)，都可以作為局部變量，他們都可以出現(xiàn)在棧中。只不過普通類型的變量在棧中直接保存它所對應(yīng)的值，而引用類型的變量保存的是一個指向堆區(qū)的指針，通過這個指針，就可以找到這個實例在堆區(qū)對應(yīng)的對象。因此，普通類型變量只在棧區(qū)占用一塊內(nèi)存，而引用類型變量要在棧區(qū)和堆區(qū)各占一塊內(nèi)存。

示例：

         1.jvm自動尋找main方法，執(zhí)行第一句代碼，創(chuàng)建一個test類的實例，在棧中分配一塊內(nèi)存，存放一個指向堆區(qū)對象的指針110925。

         2.創(chuàng)建一個int型的變量date，由于是基本類型，直接在棧中存放date對應(yīng)的值9。

         3.創(chuàng)建兩個birthdate類的實例d1、d2，在棧中分別存放了對應(yīng)的指針指向各自的對象。他們在實例化時調(diào)用了有參數(shù)的構(gòu)造方法，因此對象中有自定義初始值。

         調(diào)用test對象的change1方法，并且以date為參數(shù)。jvm讀到這段代碼時，檢測到i是局部變量，因此會把i放在棧中，并且把date的值賦給i。

         把1234賦給i。很簡單的一步。

         change1方法執(zhí)行完畢，立即釋放局部變量i所占用的棧空間。

         調(diào)用test對象的change2方法，以實例d1為參數(shù)。jvm檢測到change2方法中的b參數(shù)為局部變量，立即加入到棧中，由于是引用類型的變量，所以b中保存的是d1中的指針，此時b和d1指向同一個堆中的對象。在b和d1之間傳遞是指針。

         change2方法中又實例化了一個birthdate對象，并且賦給b。在內(nèi)部執(zhí)行過程是：在堆區(qū)new了一個對象，并且把該對象的指針保存在棧中的b對應(yīng)空間，此時實例b不再指向?qū)嵗齞1所指向的對象，但是實例d1所指向的對象并無變化，這樣無法對d1造成任何影響。

         change2方法執(zhí)行完畢，立即釋放局部引用變量b所占的棧空間，注意只是釋放了棧空間，堆空間要等待自動回收。

         調(diào)用test實例的change3方法，以實例d2為參數(shù)。同理，jvm會在棧中為局部引用變量b分配空間，并且把d2中的指針存放在b中，此時d2和b指向同一個對象。再調(diào)用實例b的setday方法，其實就是調(diào)用d2指向的對象的setday方法。

         調(diào)用實例b的setday方法會影響d2，因為二者指向的是同一個對象。

         change3方法執(zhí)行完畢，立即釋放局部引用變量b。

         以上就是java程序運行時內(nèi)存分配的大致情況。其實也沒什么，掌握了思想就很簡單了。無非就是兩種類型的變量：基本類型和引用類型。二者作為局部變量，都放在棧中，基本類型直接在棧中保存值，引用類型只保存一個指向堆區(qū)的指針，真正的對象在堆里。作為參數(shù)時基本類型就直接傳值，引用類型傳指針。

 小結(jié)：

         1.分清什么是實例什么是對象。class a= new class();此時a叫實例，而不能說a是對象。實例在棧中，對象在堆中，操作實例實際上是通過實例的指針間接操作對象。多個實例可以指向同一個對象。

         2.棧中的數(shù)據(jù)和堆中的數(shù)據(jù)銷毀并不是同步的。方法一旦結(jié)束，棧中的局部變量立即銷毀，但是堆中對象不一定銷毀。因為可能有其他變量也指向了這個對象，直到棧中沒有變量指向堆中的對象時，它才銷毀，而且還不是馬上銷毀，要等垃圾回收掃描時才可以被銷毀。

         3.以上的棧、堆、代碼段、數(shù)據(jù)段等等都是相對于應(yīng)用程序而言的。每一個應(yīng)用程序都對應(yīng)唯一的一個jvm實例，每一個jvm實例都有自己的內(nèi)存區(qū)域，互不影響。并且這些內(nèi)存區(qū)域是所有線程共享的。這里提到的棧和堆都是整體上的概念，這些堆棧還可以細分。

         4.類的成員變量在不同對象中各不相同，都有自己的存儲空間(成員變量在堆中的對象中)。而類的方法卻是該類的所有對象共享的，只有一套，對象使用方法的時候方法才被壓入棧，方法不使用則不占用內(nèi)存。

         以上分析只涉及了棧和堆，還有一個非常重要的內(nèi)存區(qū)域：常量池，這個地方往往出現(xiàn)一些莫名其妙的問題。常量池是干嘛的上邊已經(jīng)說明了，也沒必要理解多么深刻，只要記住它維護了一個已加載類的常量就可以了。接下來結(jié)合一些例子說明常量池的特性。

預(yù)備知識：

         基本類型和基本類型的包裝類。基本類型有：byte、short、char、int、long、boolean。基本類型的包裝類分別是：byte、short、character、integer、long、boolean。注意區(qū)分大小寫。二者的區(qū)別是：基本類型體現(xiàn)在程序中是普通變量，基本類型的包裝類是類，體現(xiàn)在程序中是引用變量。因此二者在內(nèi)存中的存儲位置不同：基本類型存儲在棧中，而基本類型包裝類存儲在堆中。上邊提到的這些包裝類都實現(xiàn)了常量池技術(shù)，另外兩種浮點數(shù)類型的包裝類則沒有實現(xiàn)。另外，string類型也實現(xiàn)了常量池技術(shù)。

實例：

結(jié)果：

結(jié)果分析：

         1.i和i0均是普通類型(int)的變量，所以數(shù)據(jù)直接存儲在棧中，而棧有一個很重要的特性：棧中的數(shù)據(jù)可以共享。當(dāng)我們定義了int i = 40;，再定義int i0 = 40;這時候會自動檢查棧中是否有40這個數(shù)據(jù)，如果有，i0會直接指向i的40，不會再添加一個新的40。

         2.i1和i2均是引用類型，在棧中存儲指針，因為integer是包裝類。由于integer 包裝類實現(xiàn)了常量池技術(shù)，因此i1、i2的40均是從常量池中獲取的，均指向同一個地址，因此i1=12。

         3.很明顯這是一個加法運算，java的數(shù)學(xué)運算都是在棧中進行的，java會自動對i1、i2進行拆箱操作轉(zhuǎn)化成整型，因此i1在數(shù)值上等于i2+i3。

         4.i4和i5 均是引用類型，在棧中存儲指針，因為integer是包裝類。但是由于他們各自都是new出來的，因此不再從常量池尋找數(shù)據(jù)，而是從堆中各自new一個對象，然后各自保存指向?qū)ο蟮闹羔槪詉4和i5不相等，因為他們所存指針不同，所指向?qū)ο蟛煌?/p>

         5.這也是一個加法運算，和3同理。

         6.d1和d2均是引用類型，在棧中存儲指針，因為double是包裝類。但double包裝類沒有實現(xiàn)常量池技術(shù)，因此doubled1=1.0;相當(dāng)于double d1=new double(1.0);，是從堆new一個對象，d2同理。因此d1和d2存放的指針不同，指向的對象不同，所以不相等。

小結(jié)：

         1.以上提到的幾種基本類型包裝類均實現(xiàn)了常量池技術(shù)，但他們維護的常量僅僅是【-128至127】這個范圍內(nèi)的常量，如果常量值超過這個范圍，就會從堆中創(chuàng)建對象，不再從常量池中取。比如，把上邊例子改成integer i1 = 400; integer i2 = 400;，很明顯超過了127，無法從常量池獲取常量，就要從堆中new新的integer對象，這時i1和i2就不相等了。

         2.string類型也實現(xiàn)了常量池技術(shù)，但是稍微有點不同。string型是先檢測常量池中有沒有對應(yīng)字符串，如果有，則取出來；如果沒有，則把當(dāng)前的添加進去。

         凡是涉及內(nèi)存原理，一般都是博大精深的領(lǐng)域，切勿聽信一家之言，多讀些文章。我在這只是淺析，里邊還有很多貓膩，就留給讀者探索思考了。希望本文能對大家有所幫助！

腳注：

         (1) 符號引用，顧名思義，就是一個符號，符號引用被使用的時候，才會解析這個符號。如果熟悉linux或unix系統(tǒng)的，可以把這個符號引用看作一個文件的軟鏈接，當(dāng)使用這個軟連接的時候，才會真正解析它，展開它找到實際的文件

對于符號引用，在類加載層面上討論比較多，源碼級別只是一個形式上的討論。

當(dāng)一個類被加載時，該類所用到的別的類的符號引用都會保存在常量池，實際代碼執(zhí)行的時候，首次遇到某個別的類時，jvm會對常量池的該類的符號引用展開，轉(zhuǎn)為直接引用，這樣下次再遇到同樣的類型時，jvm就不再解析，而直接使用這個已經(jīng)被解析過的直接引用。

除了上述的類加載過程的符號引用說法，對于源碼級別來說，就是依照引用的解析過程來區(qū)別代碼中某些數(shù)據(jù)屬于符號引用還是直接引用，如，system.out.println("test" +"abc");//這里發(fā)生的效果相當(dāng)于直接引用，而假設(shè)某個strings = "abc"; system.out.println("test" + s);//這里的發(fā)生的效果相當(dāng)于符號引用，即把s展開解析，也就相當(dāng)于s是"abc"的一個符號鏈接，也就是說在編譯的時候，class文件并沒有直接展看s，而把這個s看作一個符號，在實際的代碼執(zhí)行時，才會展開這個。

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