原文作者：一夜丶魚龍舞

原文地址：JAVA 堆棧 堆 方法區(qū) 靜態(tài)區(qū) final static 內(nèi)存分配 詳解(轉(zhuǎn))

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一、棧(stack)和堆(heap)

（１）內(nèi)存分配的策略

按照編譯原理的觀點,程序運行時的內(nèi)存分配有三種策略,分別是靜態(tài)的、棧式的、和堆式的.

• 靜態(tài)存儲分配：是指在編譯時就能確定每個數(shù)據(jù)目標(biāo)在運行時刻的存儲空間需求,因而在編譯時就可以給他們分配固定的內(nèi)存空間.這種分配策略要求程序代碼中不允許有可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(比如可變數(shù)組)的存在,也不允許有嵌套或者遞歸的結(jié)構(gòu)出現(xiàn),因為它們都會導(dǎo)致編譯程序無法計算準(zhǔn)確的存儲空間需求.
• 棧式存儲分配：也可稱為動態(tài)存儲分配,是由一個類似于堆棧的運行棧來實現(xiàn)的.和靜態(tài)存儲分配相反,在棧式存儲方案中,程序?qū)?shù)據(jù)區(qū)的需求在編譯時是完全未知的,只有到運行的時候才能夠知道,但是規(guī)定在運行中進(jìn)入一個程序模塊時,必須知道該程序模塊所需的數(shù)據(jù)區(qū)大小才能夠為其分配內(nèi)存.和我們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所熟知的棧一樣,棧式存儲分配按照先進(jìn)后出的原則進(jìn)行分配。
• 堆式存儲分配：要求在編譯時能知道所有變量的存儲要求,棧式存儲分配要求在過程的入口處必須知道所有的存儲要求,而堆式存儲分配則專門負(fù)責(zé)在編譯時或運行時模塊入口處都無法確定存儲要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存分配,比如可變長度串和對象實例.堆由大片的可利用塊或空閑塊組成,堆中的內(nèi)存可以按照任意順序分配和釋放.

（２）堆和棧的比較

上面的定義從編譯原理的教材中總結(jié)而來,除靜態(tài)存儲分配之外,都顯得很呆板和難以理解,下面撇開靜態(tài)存儲分配,集中比較堆和棧。從堆和棧的功能和作用來通俗的比較, 堆主要用來存放對象的，棧主要是用來執(zhí)行程序的 .而這種不同又主要是由于堆和棧的特點決定的:

• 在編程中，例如C/C++中，所有的方法調(diào)用都是通過棧來進(jìn)行的,所有的局部變量,形式參數(shù)都是從棧中分配內(nèi)存空間的。實際上也不是什么分配,只是從棧頂向上用就行,就好像工廠中的傳送帶(conveyor belt)一樣,Stack Pointer會自動指引你到放東西的位置,你所要做的只是把東西放下來就行.退出函數(shù)的時候，修改棧指針就可以把棧中的內(nèi)容銷毀.這樣的模式速度最快,當(dāng)然要用來運行程序了.需要注意的是,在分配的時候,比如為一個即將要調(diào)用的程序模塊分配數(shù)據(jù)區(qū)時,應(yīng)事先知道這個數(shù)據(jù)區(qū)的大小,也就說是雖然分配是在程序運行時進(jìn)行的,但是分配的大小多少是確定的,不變的,而這個"大小多少"是在編譯時確定的,不是在運行時.
• 堆是應(yīng)用程序在運行的時候請求操作系統(tǒng)分配給自己內(nèi)存，由于從操作系統(tǒng)管理的內(nèi)存分配,所以在分配和銷毀時都要占用時間，因此用堆的效率非常低.但是堆的優(yōu)點在于,編譯器不必知道要從堆里分配多少存儲空間，也不必知道存儲的數(shù)據(jù)要在堆里停留多長的時間,因此,用堆保存數(shù)據(jù)時會得到更大的靈活性。事實上,面向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)性,堆內(nèi)存分配是必不可少的,因為多態(tài)變量所需的存儲空間只有在運行時創(chuàng)建了對象之后才能確定.在C++中，要求創(chuàng)建一個對象時，只需用new命令編制相關(guān)的代碼即可。執(zhí)行這些代碼時，會在堆里自動進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存.當(dāng)然，為達(dá)到這種靈活性，必然會付出一定的代價:在堆里分配存儲空間時會花掉更長的時間！這也正是導(dǎo)致我們剛才所說的效率低的原因,看來列寧同志說的好,人的優(yōu)點往往也是人的缺點,人的缺點往往也是人的優(yōu)點(暈~).

（３）JVM中的堆和棧

JVM是基于堆棧的虛擬機(jī).JVM為每個新創(chuàng)建的線程都分配一個棧.也就是說,對于一個Java程序來說，它的運行就是通過對棧的操作來完成的。棧以幀為單位保存線程的狀態(tài)。JVM對堆棧只進(jìn)行兩種操作:以幀為單位的壓棧和出棧操作。

我們知道,某個線程正在執(zhí)行的方法稱為此線程的當(dāng)前方法.我們可能不知道,當(dāng)前方法使用的幀稱為當(dāng)前幀。當(dāng)線程激活一個Java方法,JVM就會在線程的Java堆棧里新壓入一個幀。這個幀自然成為了當(dāng)前幀.在此方法執(zhí)行期間,這個幀將用來保存參數(shù),局部變量,中間計算過程和其他數(shù)據(jù).這個幀在這里和編譯原理中的活動紀(jì)錄的概念是差不多的.從Java的這種分配機(jī)制來看,棧又可以這樣理解:棧(Stack)是操作系統(tǒng)在建立某個進(jìn)程時或者線程(在支持多線程的操作系統(tǒng)中是線程)為這個線程建立的存儲區(qū)域，該區(qū)域具有先進(jìn)后出的特性。

每一個Java應(yīng)用都唯一對應(yīng)一個JVM實例，每一個JVM實例唯一對應(yīng)一個堆。應(yīng)用程序在運行中所創(chuàng)建的所有類實例或數(shù)組都放在這個堆中,并由應(yīng)用所有的線程共享.跟C/C++不同，Java中分配堆內(nèi)存是自動初始化的。Java中所有對象的存儲空間都是在堆中分配的，但是這個對象的引用卻是在堆棧中分配,也就是說在建立一個對象時從兩個地方都分配內(nèi)存，在堆中分配的內(nèi)存實際建立這個對象，而在堆棧中分配的內(nèi)存只是一個指向這個堆對象的指針(引用)而已。

二、Java數(shù)據(jù)類型

1.?Java中的數(shù)據(jù)類型有兩種。

一種是基本類型(primitive types), 共有8種，即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意，并沒有string的基本類型)。這種類型的定義是通過諸如int a = 3; long b = 255L;的形式來定義的，稱為自動變量。值得注意的是，自動變量存的是字面值，不是類的實例，即不是類的引用，這里并沒有類的存在。如int a = 3; 這里的a是一個指向int類型的引用，指向3這個字面值。這些字面值的數(shù)據(jù)，由于大小可知，生存期可知(這些字面值固定定義在某個程序塊里面，程序塊退出后，字段值就消失了)，出于追求速度的原因，就存在于棧中。另外，棧有一個很重要的特殊性，就是存在棧中的數(shù)據(jù)可以共享。假設(shè)我們同時定義：?

int a = 3;? int b = 3；

編譯器先處理int a = 3；首先它會在棧中創(chuàng)建一個變量為a的引用，然后查找有沒有字面值為3的地址，沒找到，就開辟一個存放3這個字面值的地址，然后將a指向3的地址。接著處理int b = 3；在創(chuàng)建完b的引用變量后，由于在棧中已經(jīng)有3這個字面值，便將b直接指向3的地址。這樣，就出現(xiàn)了a與b同時均指向3的情況。特別注意的是，這種字面值的引用與類對象的引用不同。假定兩個類對象的引用同時指向一個對象，如果一個對象引用變量修改了這個對象的內(nèi)部狀態(tài)，那么另一個對象引用變量也即刻反映出這個變化。相反，通過字面值的引用來修改其值，不會導(dǎo)致另一個指向此字面值的引用的值也跟著改變的情況。如上例，我們定義完a與b的值后，再令a=4；那么，b不會等于4，還是等于3。在編譯器內(nèi)部，遇到a=4；時，它就會重新搜索棧中是否有4的字面值，如果沒有，重新開辟地址存放4的值；如果已經(jīng)有了，則直接將a指向這個地址。因此a值的改變不會影響到b的值。

另一種是包裝類數(shù)據(jù)，如Integer, String, Double等將相應(yīng)的基本數(shù)據(jù)類型包裝起來的類。這些類數(shù)據(jù)全部存在于堆中，Java用new()語句來顯示地告訴編譯器，在運行時才根據(jù)需要動態(tài)創(chuàng)建，因此比較靈活，但缺點是要占用更多的時間。

2. String是一個特殊的包裝類數(shù)據(jù)。

即可以用String str = new String("abc");的形式來創(chuàng)建，也可以用String str = "abc"；的形式來創(chuàng)建(作為對比，在JDK 5.0之前，你從未見過Integer i = 3;的表達(dá)式，因為類與字面值是不能通用的，除了String。而在JDK 5.0中，這種表達(dá)式是可以的！因為編譯器在后臺進(jìn)行Integer i = new Integer(3)的轉(zhuǎn)換)。前者是規(guī)范的類的創(chuàng)建過程，即在Java中，一切都是對象，而對象是類的實例，全部通過new()的形式來創(chuàng)建。Java中的有些類，如DateFormat類，可以通過該類的getInstance()方法來返回一個新創(chuàng)建的類，似乎違反了此原則。其實不然。該類運用了單例模式來返回類的實例，只不過這個實例是在該類內(nèi)部通過new()來創(chuàng)建的，而getInstance()向外部隱藏了此細(xì)節(jié)。那為什么在String str = "abc"；中，并沒有通過new()來創(chuàng)建實例，是不是違反了上述原則？其實沒有。

3.?關(guān)于String str = "abc"的內(nèi)部工作。

Java內(nèi)部將此語句轉(zhuǎn)化為以下幾個步驟：

• 先定義一個名為str的對String類的對象引用變量：String str；
• 在棧中查找有沒有存放值為"abc"的地址，如果沒有，則開辟一個存放字面值為"abc"的地址，接著創(chuàng)建一個新的String類的對象o，并將o的字符串值指向這個地址，而且在棧中這個地址旁邊記下這個引用的對象o。如果已經(jīng)有了值為"abc"的地址，則查找對象o，并返回o的地址。
• 將str指向?qū)ο髈的地址。

值得注意的是，一般String類中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；這種場合下，其字符串值卻是保存了一個指向存在棧中數(shù)據(jù)的引用！為了更好地說明這個問題，我們可以通過以下的幾個代碼進(jìn)行驗證。?

String str1 = "abc";? String str2 = "abc";? System.out.println(str1==str2); //true?

注意，我們這里并不用str1.equals(str2)；的方式，因為這將比較兩個字符串的值是否相等。==號，根據(jù)JDK的說明，只有在兩個引用都指向了同一個對象時才返回真值。而我們在這里要看的是，str1與str2是否都指向了同一個對象。結(jié)果說明，JVM創(chuàng)建了兩個引用str1和str2，但只創(chuàng)建了一個對象，而且兩個引用都指向了這個對象。我們再來更進(jìn)一步，將以上代碼改成：?

String str1 = "abc";? String str2 = "abc";? str1 = "bcd";? System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc? System.out.println(str1==str2); //false

?這就是說，賦值的變化導(dǎo)致了類對象引用的變化，str1指向了另外一個新對象！而str2仍舊指向原來的對象。上例中，當(dāng)我們將str1的值改為"bcd"時，JVM發(fā)現(xiàn)在棧中沒有存放該值的地址，便開辟了這個地址，并創(chuàng)建了一個新的對象，其字符串的值指向這個地址。事實上，String類被設(shè)計成為不可改變(immutable)的類。如果你要改變其值，可以，但JVM在運行時根據(jù)新值悄悄創(chuàng)建了一個新對象，然后將這個對象的地址返回給原來類的引用。這個創(chuàng)建過程雖說是完全自動進(jìn)行的，但它畢竟占用了更多的時間。在對時間要求比較敏感的環(huán)境中，會帶有一定的不良影響。再修改原來代碼：?

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這個對象的引用直接指向str1所指向的對象(注意，str3并沒有創(chuàng)建新對象)。當(dāng)str1改完其值后，再創(chuàng)建一個String的引用str4，并指向因str1修改值而創(chuàng)建的新的對象。可以發(fā)現(xiàn)，這回str4也沒有創(chuàng)建新的對象，從而再次實現(xiàn)棧中數(shù)據(jù)的共享。我們再接著看以下的代碼。?

String str1 = new String("abc");? String str2 = "abc";? System.out.println(str1==str2); //false 創(chuàng)建了兩個引用。創(chuàng)建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。String str1 = "abc";? String str2 = new String("abc");? System.out.println(str1==str2); //false?

創(chuàng)建了兩個引用。創(chuàng)建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。以上兩段代碼說明，只要是用new()來新建對象的，都會在堆中創(chuàng)建，而且其字符串是單獨存值的，即使與棧中的數(shù)據(jù)相同，也不會與棧中的數(shù)據(jù)共享。

4.?數(shù)據(jù)類型包裝類的值不可修改。

不僅僅是String類的值不可修改，所有的數(shù)據(jù)類型包裝類都不能更改其內(nèi)部的值。

5.?結(jié)論與建議：

• (1)我們在使用諸如String str = "abc"；的格式定義類時，總是想當(dāng)然地認(rèn)為，我們創(chuàng)建了String類的對象str。擔(dān)心陷阱！對象可能并沒有被創(chuàng)建！唯一可以肯定的是，指向String類的引用被創(chuàng)建了。至于這個引用到底是否指向了一個新的對象，必須根據(jù)上下文來考慮，除非你通過new()方法來顯要地創(chuàng)建一個新的對象。因此，更為準(zhǔn)確的說法是，我們創(chuàng)建了一個指向String類的對象的引用變量str，這個對象引用變量指向了某個值為"abc"的String類。清醒地認(rèn)識到這一點對排除程序中難以發(fā)現(xiàn)的bug是很有幫助的。
• (2)使用String str = "abc"；的方式，可以在一定程度上提高程序的運行速度，因為JVM會自動根據(jù)棧中數(shù)據(jù)的實際情況來決定是否有必要創(chuàng)建新對象。而對于String str = new String("abc")；的代碼，則一概在堆中創(chuàng)建新對象，而不管其字符串值是否相等，是否有必要創(chuàng)建新對象，從而加重了程序的負(fù)擔(dān)。這個思想應(yīng)該是享元模式的思想，但JDK的內(nèi)部在這里實現(xiàn)是否應(yīng)用了這個模式，不得而知。
• (3)當(dāng)比較包裝類里面的數(shù)值是否相等時，用equals()方法；當(dāng)測試兩個包裝類的引用是否指向同一個對象時，用==。
• (4)由于String類的immutable性質(zhì)，當(dāng)String變量需要經(jīng)常變換其值時，應(yīng)該考慮使用StringBuffer類，以提高程序效率。

三、static、final修飾符、內(nèi)部類和Java內(nèi)存分配

1、static修飾符

static修飾符能夠與屬性、方法和內(nèi)部類一起使用，表示靜態(tài)的。類中的靜態(tài)變量和靜態(tài)方法能夠與類名一起使用，不需要創(chuàng)建一個類的對象來訪問該類的靜態(tài)成員，所以，static修飾的變量又稱作“類變量”。

（1）static屬性的內(nèi)存分配

一個類中，一個static變量只會有一個內(nèi)存空間，雖然有多個類實例，但這些類實例中的這個static變量會共享同一個內(nèi)存空間。static的變量是在類裝載的時候就會被初始化，即，只要類被裝載，不管是否使用了static變量，都會被初始化。static的基本規(guī)則：

• 一個類的靜態(tài)方法只能訪問靜態(tài)屬性
• 一個類的靜態(tài)方法不能直接調(diào)用非靜態(tài)方法
• 如訪問控制權(quán)限允許，static屬性和方法可以使用類名加“.”的方式調(diào)用，也可以使用實例加“.”的方式調(diào)用
• 靜態(tài)方法中不存在當(dāng)前對象，因而不能使用this，也不能使用super
• 靜態(tài)方法不能被非靜態(tài)方法覆蓋
• 構(gòu)造方法不允許聲明為static的
• 注，非靜態(tài)變量只限于實例，并只能通過實例引用被訪問。

（2）靜態(tài)初始器——靜態(tài)塊

靜態(tài)初始器是一個存在與類中方法外面的靜態(tài)塊，僅僅在類裝載的時候執(zhí)行一次，通常用來初始化靜態(tài)的類屬性。

2、final修飾符

在Java聲明類、屬性和方法時，可以使用關(guān)鍵字final來修飾，final所標(biāo)記的成分具有終態(tài)的特征，表示最終的意思。final的具體規(guī)則

• final標(biāo)記的類不能被繼承
• final標(biāo)記的方法不能被子類重寫
• final標(biāo)記的變量（成員變量或局部變量）即成為常量，只能賦值一次
• final標(biāo)記的成員變量必須在聲明的同時賦值，如果在聲明的時候沒有賦值，那么只有一次賦值的機(jī)會，而且只能在構(gòu)造方法中顯式賦值，然后才能使用
• final標(biāo)記的局部變量可以只聲明不賦值，然后再進(jìn)行一次性的賦值
• final一般用于標(biāo)記那些通用性的功能、實現(xiàn)方式或取值不能隨意被改變的成分，以避免被誤用

如果將引用類型（即，任何類的類型）的變量標(biāo)記為final，那么，該變量不能指向任何其它對象，但可以改變對象的內(nèi)容，因為只有引用本身是final的。

3、內(nèi)部類

在一個類（或方法、語句塊）的內(nèi)部定義另一個類，后者稱為內(nèi)部類，有時也稱為嵌套類。內(nèi)部類的特點

• ·內(nèi)部類可以體現(xiàn)邏輯上的從屬關(guān)系，同時對于其它類可以控制內(nèi)部類對外不可見等
• ·外部類的成員變量作用域是整個外部類，包括內(nèi)部類，但外部類不能訪問內(nèi)部類的private成員
• ·邏輯上相關(guān)的類可以在一起，可以有效地實現(xiàn)信息隱藏
• ·內(nèi)部類可以直接訪問外部類的成員，可以用此實現(xiàn)多繼承
• ·編譯后，內(nèi)部類也被編譯為單獨的類，名稱為outclass$inclass的形式

內(nèi)部類可以分為四種

• ·類級：成員式，有static修飾
• ·對象級：成員式，普通，無static修飾
• ·本地內(nèi)部類：局部式
• ·匿名級：局部式

成員式內(nèi)部類的基本規(guī)則

• ·可以有各種修飾符，可以用4種權(quán)限、static、final、abstract定義
• ·若有static限定，就為類級，否則為對象級。類級可以通過外部類直接訪問，對象級需要先生成外部的對象后才能訪問
• ·內(nèi)外部類不能同名
• ·非靜態(tài)內(nèi)部類中不能聲明任何static成員
• ·內(nèi)部類可以互相調(diào)用

成員式內(nèi)部類的訪問

• 內(nèi)部類訪問外層類對象的成員時，語法為：外層類名.this.屬性
• 使用內(nèi)部類時，由外部類對象加“.new”操作符調(diào)用內(nèi)部類的構(gòu)造方法，創(chuàng)建內(nèi)部類的對象。
• 在另一個外部類中使用非靜態(tài)內(nèi)部類中定義的方法時，要先創(chuàng)建外部類的對象，再創(chuàng)建與外部類相關(guān)的內(nèi)部類的對象，再調(diào)用內(nèi)部類的方法。
• static內(nèi)部類相當(dāng)于其外部類的static成分，它的對象與外部類對象間不存在依賴關(guān)系，因此可以直接創(chuàng)建。
• 由于內(nèi)部類可以直接訪問其外部類的成分，因此，當(dāng)內(nèi)部類與其外部類中存在同名屬性或方法時，也將導(dǎo)致命名沖突。所以，在多層調(diào)用時要指明。

Java的內(nèi)存分配
? Java程序運行時的內(nèi)存結(jié)構(gòu)分成：方法區(qū)、棧內(nèi)存、堆內(nèi)存、本地方法棧幾種。
? 方法區(qū)存放裝載的類數(shù)據(jù)信息，包括：
??? ·基本信息：每個類的全限定名、每個類的直接超類的全限定名、該類是類還是接口、該類型的訪問修飾符、直接超接口的全限定名的有序列表。
??? ·每個已裝載類的詳細(xì)信息：運行時常量池、字段信息、方法信息、靜態(tài)變量、到類classloader的引用、到類class的引用。
? 棧內(nèi)存
??? Java棧內(nèi)存由局部變量區(qū)、操作數(shù)棧、幀數(shù)據(jù)區(qū)組成，以幀的形式存放本地方法的調(diào)用狀態(tài)（包括方法調(diào)用的參數(shù)、局部變量、中間結(jié)果……）。
? 堆內(nèi)存
??? 堆內(nèi)存用來存放由new創(chuàng)建的對象和數(shù)組。在堆中分配的內(nèi)存，由Java虛擬機(jī)的自動垃圾回收器來管理。
? 本地方法棧內(nèi)存
??? Java通過Java本地接口JNI（Java?Native Interface）來調(diào)用其它語言編寫的程序，在Java里面用native修飾符來描述一個方法是本地方法。
? String的內(nèi)存分配
??? String是一個特殊的包裝類數(shù)據(jù)，由于String類的值不可變性，當(dāng)String變量需要經(jīng)常變換其值時，應(yīng)該考慮使用StringBuffer或StringBuilder類，以提高程序效率。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JVM—堆栈 堆 方法区 静态区 final static 内存分配的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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