java 堆 栈 方法区、对象初始化过程
时间: 2019-03-12来源:OSCHINA
前景提要
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< 一>
基础数据类型(Value type)直接在栈(stack)空间分配,方法的形式参数,直接在栈空间分配,当方法调用完成后从栈空间回收。
引用数据类型,需要用new来创建,既在栈空间分配一个地址空间(reference),又在堆空间分配对象的类变量(object) 。方法的引用参数,在栈空间分配一个地址空间,并指向堆空间的对象区,当方法调用完成后从栈空间回收。局部变量 new 出来时,在栈空间和堆空间中分配空间,当局部变量生命周期结束后,栈空间立刻被回收,堆空间区域等待GC回收。 方法调用时传入的 literal 参数,先在栈空间分配,在方法调用完成后从栈空间分配。字符串常量在 DATA 区域分配 ,this 在堆空间分配。数组既在栈空间分配数组名称, 又在堆空间分配数组实际的大小!
哦 对了,补充一下static在DATA区域分配。

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。

<二>
参考自 深入浅出 JVM这本书,对了解JAVA的底层和运行机制有比较大的帮助。
废话不想讲了.入主题:
先了解具体的概念:
JAVA的JVM的内存可分为3个区:堆(heap)、栈(stack)和方法区(method)

堆区 :
1.存储的全部是对象,每个对象都包含一个与之对应的class的信息。(class的目的是得到操作指令)
2.jvm只有一个堆区(heap)被所有线程共享,堆中不存放基本类型和对象引用,只存放对象本身
栈区 :
1.每个线程包含一个栈区,栈中只保存基础数据类型的对象和自定义对象的引用(不是对象),对象都存放在堆区中
2.每个栈中的数据(原始类型和对象引用)都是私有的,其他栈不能访问。
3.栈分为3个部分:基本类型变量区、执行环境上下文、操作指令区(存放操作指令)。
方法区 :
1.又叫静态区,跟堆一样,被所有的线程共享。方法区包含所有的class和static变量。
2.方法区中包含的都是在整个程序中永远唯一的元素,如class,static变量。
为了更清楚地搞明白发生在运行时数据区里的黑幕,我们来准备2个小道具(2个非常简单的小程序)。
AppMain.java
Java代码 AppMain.java public class AppMain //运行时, jvm 把appmain的信息都放入方法区 { public static void main(String[] args) //main 方法本身放入方法区。 { Sample test1 = new Sample( “ 测试1 ” ); //test1是引用,所以放到栈区里, Sample是自定义对象应该放到堆里面 Sample test2 = new Sample( “ 测试2 ” ); test1.printName(); test2.printName(); } } Sample.java public class Sample //运行时, jvm 把appmain的信息都放入方法区 { private name; //new Sample实例后, name 引用放入栈区里, name 对象放入堆里 public Sample(String name) { this .name = name; } public void printName() //print方法本身放入 方法区里。 { System.out.println(name); } }

OK,让我们开始行动吧,出发指令就是:“java AppMain”,包包里带好我们的行动向导图,Let’s GO!

系统收到了我们发出的指令,启动了一个Java虚拟机进程,这个进程首先从classpath中找到AppMain.class文件,读取这个文件中的二进制数据,然后把Appmain类的类信息存放到运行时数据区的方法区中。这一过程称为AppMain类的加载过程。
接着,Java虚拟机定位到方法区中AppMain类的Main()方法的字节码,开始执行它的指令。这个main()方法的第一条语句就是:
Sample test1=new Sample(“测试1”);
语句很简单啦,就是让java虚拟机创建一个Sample实例,并且呢,使引用变量test1引用这个实例。貌似小case一桩哦,就让我们来跟踪一下Java虚拟机,看看它究竟是怎么来执行这个任务的:
1、 Java虚拟机一看,不就是建立一个Sample实例吗,简单,于是就直奔方法区而去,先找到Sample类的类型信息再说。结果呢,嘿嘿,没找到@@,这会儿的方法区里还没有Sample类呢。可Java虚拟机也不是一根筋的笨蛋,于是,它发扬“自己动手,丰衣足食”的作风,立马加载了Sample类,把Sample类的类型信息存放在方法区里。
2、 好啦,资料找到了,下面就开始干活啦。Java虚拟机做的第一件事情就是在堆区中为一个新的Sample实例分配内存, 这个Sample实例持有着指向方法区的Sample类的类型信息的引用。这里所说的引用,实际上指的是Sample类的类型信息在方法区中的内存地址,其实,就是有点类似于C语言里的指针啦~~,而这个地址呢,就存放了在Sample实例的数据区里。
3、在JAVA虚拟机进程中,每个线程都会拥有一个方法调用栈,用来跟踪线程运行中一系列的方法调用过程,栈中的每一个元素就被称为栈帧,每当线程调用一个方法的时候就会向方法栈压入一个新帧。这里的帧用来存储方法的参数、局部变量和运算过程中的临时数据。OK,原理讲完了,就让我们来继续我们的跟踪行动!位于“=”前的Test1是一个在main()方法中定义的变量,可见,它是一个局部变量,因此,它被会添加到了执行main()方法的主线程的JAVA方法调用栈中。而“=”将把这个test1变量指向堆区中的Sample实例,也就是说,它持有指向Sample实例的引用。
OK,到这里为止呢,JAVA虚拟机就完成了这个简单语句的执行任务。参考我们的行动向导图,我们终于初步摸清了JAVA虚拟机的一点点底细了,COOL!
接下来,JAVA虚拟机将继续执行后续指令,在堆区里继续创建另一个Sample实例,然后依次执行它们的printName()方法。当JAVA虚拟机执行test1.printName()方法时,JAVA虚拟机根据局部变量test1持有的引用,定位到堆区中的Sample实例,再根据Sample实例持有的引用,定位到方法区去中Sample类的类型信息,从而获得printName()方法的字节码,接着执行printName()方法包含的指令。

<三>
在windows中使用taskmanager查看java进程使用的内存时,发现有时候会超过 -Xmx制定的内存大小, -Xmx指定的是java heap,java还要分配内存做其他的事情,包括为每个线程建立栈。
VM的每个线程都有自己的栈空间,栈空间的大小限制vm的线程数量,太大了,实用的线程数减少,太小容易抛出java.lang.StackOverflowError异常。windows默认为1M,linux必须运行ulimit -s 2048。
在C语言里堆(heap)和栈(stack)里的区别
简单的可以理解为:
heap:是由malloc之类函数分配的空间所在地。地址是由低向高增长的。
stack:是自动分配变量,以及函数调用的时候所使用的一些空间。地址是由高向低减少。
一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分
1、栈区(stack)— 由编译器自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、在Java语言里堆(heap)和栈(stack)里的区别
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.每个JVM的线程都有自己的私有的栈空间,随线程创建而创建,java的stack存放的是frames ,java的stack和c的不同,只是存放本地变量,返回值和调用方法,不允许直接push和pop frames ,因为frames 可能是有heap分配的,所以j为ava的stack分配的内存不需要是连续的。java的heap是所有线程共享的,堆存放所有 runtime data ,里面是所有的对象实例和数组,heap是JVM启动时创建。
  5. 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。
  (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。
  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。

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