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java程序运行时内存分配详解

浮躁的码农
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发布于 2016/04/19 10:04
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一、  基本概念

   每运行一个java程序会产生一个java进程,每个java进程可能包含一个或者多个线程,每一个Java进程对应唯一一个JVM实例,每一个JVM实例唯一对应一个堆,每一个线程有一个自己私有的栈。进程所创建的所有类的实例(也就是对象)或数组(指的是数组的本身,不是引用)都放在堆中,并由该进程所有的线程共享。Java中分配堆内存是自动初始化的,即为一个对象分配内存的时候,会初始化这个对象中变量。虽然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栈中分配,也就是说在建立一个对象时在堆和栈中都分配内存,在堆中分配的内存实际存放这个被创建的对象的本身,而在栈中分配的内存只是存放指向这个堆对象的引用而已。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。

具体的概念: JVM的内存可分为3个区: 堆(heap)、栈(stack)和方法区(method,也叫静态区): 

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),且被所有线程共享,堆中不存放基本类型和对象引用,只存放对象本身和数组本身;

栈区:  
1.每个线程包含一个栈区,栈中只保存基础数据类型本身和自定义对象的引用; 
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(静态区):  
1.被所有的线程共享,方法区包含所有的class(class是指类的原始代码,要创建一个类的对象,首先要把该类的代码加载到方法区中,并且初始化)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。  
 

二、实例演示

 1   AppMain.java  2    3   public class AppMain //运行时, jvmappmain的代码全部都放入方法区   4   {  5   public static void main(String[] args) //main 方法本身放入方法区。   6   {  7   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   8   Sample test2 = new Sample( " 测试2 " );  9    10   test1.printName(); 11   test2.printName(); 12   } 13   } 14    15   public class Sample //运行时, jvmappmain的信息都放入方法区  16   { 17   /** 范例名称 */ 18   private String name; //new Sample实例后, name 引用放入栈区里, name 对应的 String 对象放入堆里  19    20   /** 构造方法 */ 21   public Sample(String name) 22   { 23   this .name = name; 24   } 25    26   /** 输出 */ 27   public void printName() //在没有对象的时候,print方法跟随sample类被放入方法区里。  28   { 29   System.out.println(name); 30   } 31   }

      运行该程序时,首先 启动一个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,这就是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");

该语句的执行过程: 
    1、 Java虚拟机到方法区找到Sample类的类型信息,没有找到,因为Sample类还没有加载到方法区(这里可以看出,java中的内部类是单独存在的,而且刚开始的时候不会跟随包含类一起被加载,等到要用的时候才被加载)。Java虚拟机立马加载Sample类,把Sample类的类型信息存放在方法区里。  
    2、 Java虚拟机首先在堆区中为一个新的Sample实例分配内存, 并在Sample实例的内存中存放一个方法区中存放Sample类的类型信息的内存地址。 
    3、 JVM的进程中,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。

    4、位于“=”前的Test1是一个在main()方法中定义的一个变量(一个Sample对象的引用),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。 
    5、JVM在堆区里继续创建另一个Sample实例,并在main方法的方法调用栈中添加一个Test2变量,该变量指向堆区中刚才创建的Sample新实例。

    6、JVM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,开始执行。  
三、辨析

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(详见下面的介绍)。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。 

Java中的2种数据类型:

一种是 基本类型 (primitive types), 共有8类,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。 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 。  

    栈有一个很重要的特性: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,如果没找到,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。 

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。 

四、总结

      java内存分配条理还是很清楚的,如果要彻底搞懂,可以去查阅JVM相关的书籍。在java中,内存分配最让人头疼的是String对象,由于其特殊性,所以很多程序员容易搞混淆,下一篇文章再详细讲解。 

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