Java 內(nèi)存分配深入理解

         本文將由淺入深詳細(xì)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(gè)系統(tǒng)的介紹。

         進(jìn)入正題前首先要知道的是Java程序運(yùn)行在JVM(Java  Virtual Machine，Java虛擬機(jī))上，可以把JVM理解成Java程序和操作系統(tǒng)之間的橋梁，JVM實(shí)現(xiàn)了Java的平臺(tái)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(shí)候一定要牢記這一切都是在JVM中進(jìn)行的，JVM是內(nèi)存分配原理的基礎(chǔ)與前提。

         簡(jiǎn)單通俗的講，一個(gè)完整的Java程序運(yùn)行過程會(huì)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?？?，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(shí)例，即堆區(qū)對(duì)象的引用(指針)。也可以用來保存加載方法時(shí)的幀。

         l  堆：用來存放動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，比如new出來的對(duì)象。注意創(chuàng)建出來的對(duì)象只包含屬于各自的成員變量，并不包括成員方法。因?yàn)橥粋€(gè)類的對(duì)象擁有各自的成員變量，存儲(chǔ)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(gè)對(duì)象就把成員方法復(fù)制一次。

         l  常量池：JVM為每個(gè)已加載的類型維護(hù)一個(gè)常量池，常量池就是這個(gè)類型用到的常量的一個(gè)有序集合。包括直接常量(基本類型，String)和對(duì)其他類型、方法、字段的符號(hào)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(gè)類型所有的對(duì)其他類型、方法、字段的符號(hào)引用，所以常量池在Java的動(dòng)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(shí)例詳細(xì)講解Java程序是如何在內(nèi)存中運(yùn)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(huì)一一加上注釋）。

預(yù)備知識(shí)：

         1.一個(gè)Java文件，只要有main入口方法，我們就認(rèn)為這是一個(gè)Java程序，可以單獨(dú)編譯運(yùn)行。

         2.無論是普通類型的變量還是引用類型的變量(俗稱實(shí)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(duì)應(yīng)的值，而引用類型的變量保存的是一個(gè)指向堆區(qū)的指針，通過這個(gè)指針，就可以找到這個(gè)實(shí)例在堆區(qū)對(duì)應(yīng)的對(duì)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(dòng)尋找main方法，執(zhí)行第一句代碼，創(chuàng)建一個(gè)Test類的實(shí)例，在棧中分配一塊內(nèi)存，存放一個(gè)指向堆區(qū)對(duì)象的指針110925。

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

         3.創(chuàng)建兩個(gè)BirthDate類的實(shí)例d1、d2，在棧中分別存放了對(duì)應(yīng)的指針指向各自的對(duì)象。他們?cè)趯?shí)例化時(shí)調(diào)用了有參數(shù)的構(gòu)造方法，因此對(duì)象中有自定義初始值。

         調(diào)用test對(duì)象的change1方法，并且以date為參數(shù)。JVM讀到這段代碼時(shí)，檢測(cè)到i是局部變量，因此會(huì)把i放在棧中，并且把date的值賦給i。

         把1234賦給i。很簡(jiǎn)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?？臻g。

         調(diào)用test對(duì)象的change2方法，以實(shí)例d1為參數(shù)。JVM檢測(cè)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(shí)b和d1指向同一個(gè)堆中的對(duì)象。在b和d1之間傳遞是指針。

         change2方法中又實(shí)例化了一個(gè)BirthDate對(duì)象，并且賦給b。在內(nèi)部執(zhí)行過程是：在堆區(qū)new了一個(gè)對(duì)象，并且把該對(duì)象的指針保存在棧中的b對(duì)應(yīng)空間，此時(shí)實(shí)例b不再指向?qū)嵗齞1所指向的對(duì)象，但是實(shí)例d1所指向的對(duì)象并無變化，這樣無法對(duì)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?？臻g，堆空間要等待自動(dòng)回收。

         調(diào)用test實(shí)例的change3方法，以實(shí)例d2為參數(shù)。同理，JVM會(huì)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(shí)d2和b指向同一個(gè)對(duì)象。再調(diào)用實(shí)例b的setDay方法，其實(shí)就是調(diào)用d2指向的對(duì)象的setDay方法。

         調(diào)用實(shí)例b的setDay方法會(huì)影響d2，因?yàn)槎咧赶虻氖峭粋€(gè)對(duì)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(yùn)行時(shí)內(nèi)存分配的大致情況。其實(shí)也沒什么，掌握了思想就很簡(jiǎn)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(gè)指向堆區(qū)的指針，真正的對(duì)象在堆里。作為參數(shù)時(shí)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(shí)例什么是對(duì)象。Class a= new Class();此時(shí)a叫實(shí)例，而不能說a是對(duì)象。實(shí)例在棧中，對(duì)象在堆中，操作實(shí)例實(shí)際上是通過實(shí)例的指針間接操作對(duì)象。多個(gè)實(shí)例可以指向同一個(gè)對(duì)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(duì)象不一定銷毀。因?yàn)榭赡苡衅渌兞恳仓赶蛄诉@個(gè)對(duì)象，直到棧中沒有變量指向堆中的對(duì)象時(shí)，它才銷毀，而且還不是馬上銷毀，要等垃圾回收掃描時(shí)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(duì)于應(yīng)用程序而言的。每一個(gè)應(yīng)用程序都對(duì)應(yīng)唯一的一個(gè)JVM實(shí)例，每一個(gè)JVM實(shí)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(xì)分。

         4.類的成員變量在不同對(duì)象中各不相同，都有自己的存儲(chǔ)空間(成員變量在堆中的對(duì)象中)。而類的方法卻是該類的所有對(duì)象共享的，只有一套，對(duì)象使用方法的時(shí)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(gè)非常重要的內(nèi)存區(qū)域：常量池，這個(gè)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(hù)了一個(gè)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(shí)：

         基本類型和基本類型的包裝類。基本類型有：byte、short、char、int、long、boolean?；绢愋偷陌b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(chǔ)位置不同：基本類型存儲(chǔ)在棧中，而基本類型包裝類存儲(chǔ)在堆中。上邊提到的這些包裝類都實(shí)現(xiàn)了常量池技術(shù)，另外兩種浮點(diǎn)數(shù)類型的包裝類則沒有實(shí)現(xiàn)。另外，String類型也實(shí)現(xiàn)了常量池技術(shù)。

實(shí)例：

public class test { 
  public static void main(String[] args) {   
    objPoolTest(); 
  } 
 
  public static void objPoolTest() { 
    int i = 40; 
    int i0 = 40; 
    Integer i1 = 40; 
    Integer i2 = 40; 
    Integer i3 = 0; 
    Integer i4 = new Integer(40); 
    Integer i5 = new Integer(40); 
    Integer i6 = new Integer(0); 
    Double d1=1.0; 
    Double d2=1.0; 
     
    System.out.println("i=i0\t" + (i == i0)); 
    System.out.println("i1=i2\t" + (i1 == i2)); 
    System.out.println("i1=i2+i3\t" + (i1 == i2 + i3)); 
    System.out.println("i4=i5\t" + (i4 == i5)); 
    System.out.println("i4=i5+i6\t" + (i4 == i5 + i6));   
    System.out.println("d1=d2\t" + (d1==d2));  
     
    System.out.println();     
  } 
} 

結(jié)果：

i=i0  true 
i1=i2  true 
i1=i2+i3    true 
i4=i5  false 
i4=i5+i6    true 
d1=d2  false 

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(chǔ)在棧中，而棧有一個(gè)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(shí)候會(huì)自動(dòng)檢查棧中是否有40這個(gè)數(shù)據(jù)，如果有，i0會(huì)直接指向i的40，不會(huì)再添加一個(gè)新的40。

         2.i1和i2均是引用類型，在棧中存儲(chǔ)指針，因?yàn)镮nteger是包裝類。由于Integer 包裝類實(shí)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(gè)地址，因此i1=12。

         3.很明顯這是一個(gè)加法運(yùn)算，Java的數(shù)學(xué)運(yùn)算都是在棧中進(jìn)行的，Java會(huì)自動(dòng)對(duì)i1、i2進(jìn)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(chǔ)指針，因?yàn)镮nteger是包裝類。但是由于他們各自都是new出來的，因此不再?gòu)某Ａ砍貙ふ覕?shù)據(jù)，而是從堆中各自new一個(gè)對(duì)象，然后各自保存指向?qū)ο蟮闹羔?，所以i4和i5不相等，因?yàn)樗麄兯嬷羔槻煌?，所指向?qū)ο蟛煌?/p>

         5.這也是一個(gè)加法運(yùn)算，和3同理。

         6.d1和d2均是引用類型，在棧中存儲(chǔ)指針，因?yàn)镈ouble是包裝類。但Double包裝類沒有實(shí)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(gè)對(duì)象，d2同理。因此d1和d2存放的指針不同，指向的對(duì)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(shí)現(xiàn)了常量池技術(shù)，但他們維護(hù)的常量?jī)H僅是【-128至127】這個(gè)范圍內(nèi)的常量，如果常量值超過這個(gè)范圍，就會(huì)從堆中創(chuàng)建對(duì)象，不再?gòu)某Ａ砍刂腥?。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(duì)象，這時(shí)i1和i2就不相等了。

         2.String類型也實(shí)現(xiàn)了常量池技術(shù)，但是稍微有點(diǎn)不同。String型是先檢測(cè)常量池中有沒有對(duì)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(jìn)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(duì)大家有所幫助！

腳注：

         (1) 符號(hào)引用，顧名思義，就是一個(gè)符號(hào)，符號(hào)引用被使用的時(shí)候，才會(huì)解析這個(gè)符號(hào)。如果熟悉Linux或unix系統(tǒng)的，可以把這個(gè)符號(hào)引用看作一個(gè)文件的軟鏈接，當(dāng)使用這個(gè)軟連接的時(shí)候，才會(huì)真正解析它，展開它找到實(shí)際的文件

對(duì)于符號(hào)引用，在類加載層面上討論比較多，源碼級(jí)別只是一個(gè)形式上的討論。

當(dāng)一個(gè)類被加載時(shí)，該類所用到的別的類的符號(hào)引用都會(huì)保存在常量池，實(shí)際代碼執(zhí)行的時(shí)候，首次遇到某個(gè)別的類時(shí)，JVM會(huì)對(duì)常量池的該類的符號(hào)引用展開，轉(zhuǎn)為直接引用，這樣下次再遇到同樣的類型時(shí)，JVM就不再解析，而直接使用這個(gè)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(hào)引用說法，對(duì)于源碼級(jí)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(hào)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(gè)Strings = "abc"; System.out.println("test" + s);//這里的發(fā)生的效果相當(dāng)于符號(hào)引用，即把s展開解析，也就相當(dāng)于s是"abc"的一個(gè)符號(hào)鏈接，也就是說在編譯的時(shí)候，class文件并沒有直接展看s，而把這個(gè)s看作一個(gè)符號(hào)，在實(shí)際的代碼執(zhí)行時(shí)，才會(huì)展開這個(gè)。

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