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Java堆、栈和常量池以及相关String的详细讲解

 毛朱
发布于 2017/09/08 16:07
字数 5408
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http://www.cnblogs.com/xiohao/p/4296088.html

一:在JAVA中,有六个不同的地方可以存储数据:  

1. 寄存器(register)。 这是最快的存储区,因为它位于不同于其他存储区的地方——处理器内部。但是寄存器的数量极其有限,所以寄存器由编译器根据需求进行分配。你不能直接控制,也不能在程序中感觉到寄存器存在的任何迹象。    

------最快的存储区, 由编译器根据需求进行分配,我们在程序中无法控制.

2. 堆栈(stack)。位于通用RAM中,但通过它的“堆栈指针”可以从处理器哪里获得支持。堆栈指针若向下移动,则分配新的内存;若向上移动,则释放那些 内存。这是一种快速有效的分配存储方法,仅次于寄存器。创建程序时候,JAVA编译器必须知道存储在堆栈内所有数据的确切大小和生命周期,因为它必须生成 相应的代码,以便上下移动堆栈指针。这一约束限制了程序的灵活性,所以虽然某些JAVA数据存储在堆栈中——特别是对象引用,但是JAVA对象不存储其 中。    

------存放基本类型的变量数据和对象,数组的引用,但对象本身不存放在栈中,而是存放在堆(new 出来的对象)或者常量池中(字符串常量对象存放在常量池中)

3. 堆(heap)。一种通用性的内存池(也存在于RAM中),用于存放所以的JAVA对象。堆不同于堆栈的好处是:编译器不需要知道要从堆里分配多少存储区 域,也不必知道存储的数据在堆里存活多长时间。因此,在堆里分配存储有很大的灵活性。当你需要创建一个对象的时候,只需要new写一行简单的代码,当执行 这行代码时,会自动在堆里进行存储分配。当然,为这种灵活性必须要付出相应的代码。用堆进行存储分配比用堆栈进行存储存储需要更多的时间。  

------存放所有new出来的对象。

4. 静态存储(static storage)。这里的“静态”是指“在固定的位置”。静态存储里存放程序运行时一直存在的数据。你可用关键字static来标识一个对象的特定元素是静态的,但JAVA对象本身从来不会存放在静态存储空间里。  

------存放静态成员(static定义的)

5. 常量存储(constant storage)。常量值通常直接存放在程序代码内部,这样做是安全的,因为它们永远不会被改变。有时,在嵌入式系统中,常量本身会和其他部分分割离开,所以在这种情况下,可以选择将其放在ROM中  

------存放字符串常量和基本类型常量(public static final)

6. 非RAM存储。如果数据完全存活于程序之外,那么它可以不受程序的任何控制,在程序没有运行时也可以存在。  

------硬盘等永久存储空间 就速度来说,有如下关系:

    寄存器 >堆栈 > 堆 > 其它

    这里我们主要关心栈,堆和常量池,对于栈和常量池中的对象可以共享,对于堆中的对象不可以共享。

     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。堆中的对象的由垃圾回收器负责回收,因此大小和生命周期不需要确定,具有很大的灵活性。    

    对于字符串:其对象的引用都是存储在栈中的,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。

     如以下代码: Java代码 

        String s1 = "china"; 

        String s2 = "china";

        String s3 = "china"; 

        String ss1 = new String("china"); 

        String ss2 = new String("china"); 

        String ss3 = new String("china");   

        这里解释一下,对于通过 new 产生一个字符串(假设为 ”china” )时,会先去常量池中查找是否已经有了 ”china” 对象,如果没有则在常量池中创建一个此字符串对象,然后堆中再创建一个常量池中此 ”china” 对象的拷贝对象。

        也就是有道面试题: String s = new String(“xyz”); 产生几个对象?

         一个或两个。如果常量池中原来没有 ”xyz”, 就是两个。如果原来的常量池中存在“xyz”时,就是一个。

        对于基础类型的变量和常量:变量和引用存储在栈中,常量存储在常量池中。

        如以下代码: 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。

     如以下代码: 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get,set方法……… 

  }   

 

 public class Test{     

    public static void main(String args[]){ 

      int date = 9;         

      Test test = new Test();                  

      test.change(date);          

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

    }         

  public void change1(int i){         

        i = 1234;     

    }   

  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。

 

Java堆、栈和常量池详解(二)

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。  

   举例如下: Java代码 

   public class Test {       

    public static void main(String[] args)       

    {   

        int a1=1;         

        int b1=1;         

        int c1=2;         

        int d1=a1+b1;         

        Integer a = 1;           

        Integer b = 2;           

        Integer c = 3;           

        Integer d = 3;           

        Integer e = 321;           

        Integer f = 321;

        Long g = 3L;  

       System.out.println(a1==b1);   //true  结果1           

       System.out.println(c1==d1);   //true  结果2         

       System.out.println(c==d);   //true  结果3            

       System.out.println(e==f);   //false  结果4          

      }  

  }   

 分析:

   结果1:a1==b1如上面所述,会在栈 中开辟存储空间存放数据。          

   结果2:首先它会在栈 中创建一个变量为c1的引用,然后查找有没有字面值为2的地址,没找到,就开辟一个存放2这个字面值的地址,然后将c1指向2的地址,d1为两个字面值相加也为2, 由于在栈中已经有2这个字面值,便将d1直接指向2的地址。这样,就出现了c1与d1同时均指向3的情况。           在分析下面结果以前让我们先对Java自动拆箱和装箱做个了结:在自动装箱时,把int变成Integer的时候,是有规则的,当你的int的值在-128-IntegerCache.high(127) 时,返回的不是一个新new出来的Integer对象,而是一个已经缓存在堆 中的Integer对象,(我们可以这样理解,系统已经把-128到127之 间的Integer缓存到一个Integer数组中去了,如果你要把一个int变成一个Integer对象,首先去缓存中找,找到的话直接返回引用给你就 行了,不必再新new一个),如果不在-128-IntegerCache.high(127) 时会返回一个新new出来的Integer对象。           

  结果3:由于3是在范围内所以是从缓存中取数据的,c和d指向同一个对象,结果为true;         

  结果4:由于321不是在范围内所以不是从缓存中取数据的而是单独有new对象,e和f并没有指向同一个对象,结果为false;  

  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。

   4(1)String str = "abc"创建对象的过程 1 首先在常量池中查找是否存在内容为"abc"字符串对象 2 如果不存在则在常量池中创建"abc",并让str引用该对象 3 如果存在则直接让str引用该对象

至 于"abc"是怎么保存,保存在哪?常量池属于类信息的一部分,而类信息反映到JVM内存模型中是对应存在于JVM内存模型的方法区,也就是说这个类信息 中的常量池概念是存在于在方法区中,而方法区是在JVM内存模型中的堆中由JVM来分配的,所以"abc"可以说存在于堆中(而有些资料,为了把方法区的 堆区别于JVM的堆,把方法区称为栈)。一般这种情况下,"abc"在编译时就被写入字节码中,所以class被加载时,JVM就为"abc"在常量池中 分配内存,所以和静态区差不多。  

   4(2)String str = new String("abc")创建实例的过程 1 首先在堆中(不是常量池)创建一个指定的对象"abc",并让str引用指向该对象 2 在字符串常量池中查看,是否存在内容为"abc"字符串对象 3 若存在,则将new出来的字符串对象与字符串常量池中的对象联系起来 4 若不存在,则在字符串常量池中创建一个内容为"abc"的字符串对象,并将堆中的对象与之联系起来 intern 方法可以返回该字符串在常量池中的对象的引用,可以通过下面代码简单的测试 Java代码 

  class StringTest {     

   public static void main(String[] args) {         

    String str1 = "abc";         

    String str2 = new String("abc").intern();         

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

  } 

  一个初始为空的字符串池,它由类 String 私有地维护。 当调用 intern 方法时,如果池已经包含一个等于此 String 对象的字符串(用 equals(Object) 方法确定),则返回池中的字符串。否则,将此 String 对象添加到池中,并返回此 String 对象的引用。 它遵循以下规则:对于任意两个字符串 s 和 t ,当且仅当  s.equals(t) 为 true 时,s.intern() == t.intern() 才为 true 。   所以String str1 = "abc",str1引用的是常量池(方法区)的对象,而String str2 = new String("abc"),str2引用的是堆中的对象,所以内存地址不一样,但是内容一样,所以==为false,而equals是true

4(3)String str1 = "abc"; String str2 = "ab" + "c"; str1==str2是ture 是因为String str2 = "ab" + "c"会查找常量池中时候存在内容为"abc"字符串对象,如存在则直接让str2引用该对象,显然String str1 = "abc"的时候,上面说了,会在常量池中创建"abc"对象,所以str1引用该对象,str2也引用该对象,所以str1==str2

4(4)String str1 = "abc"; String str2 = "ab"; String str3 = str2 + "c"; str1==str3是false 是因为String str3 = str2 + "c"涉及到变量(不全是常量)的相加,所以会生成新的对象,其内部实现是先new一个StringBuilder,然后 append(str2),append("c");然后让str3引用toString()返回的对象 如果想了解更多的细节,可以自己查看反编译的代码,查看反编译代码可以用javap,

 即 javap -c -verbose 要查看的类文件(.class不要)

比如上面的代码的示例

javac StringTest.java //编译

javap -c -verbose StringTest //反编译

4(5)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。

4(6)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 常量池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。

 4(7)

     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。

 4(8)

   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。

5. 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。

6. 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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