解析Java程序中對象內(nèi)存的分配和控制的基本方法
一、對象與內(nèi)存控制的知識點(diǎn)
1.java變量的初始化過程,包括局部變量,成員變量(實(shí)例變量和類變量)。
2.繼承關(guān)系中,當(dāng)使用的對象引用變量編譯時(shí)類型和運(yùn)行時(shí)類型不同時(shí),訪問該對象的屬性和方法是有區(qū)別的。
3.final修飾符特性。
二、java變量的劃分與初始化過程
java程序的變量大體可以分為成員變量和局部變量,成員變量可以分為實(shí)例變量(非靜態(tài)變量)和類變量(靜態(tài)變量),一般我們遇到的局部變量會(huì)在下列幾種情況中出現(xiàn):
(1)形參:在方法簽名中定義的局部變量,由調(diào)用方為其賦值,隨著方法結(jié)束消亡。
(2)方法內(nèi)的局部變量:在方法內(nèi)定義的局部變量必須在方法內(nèi)顯示的初始化(賦初始值),隨著變量初始化完成開始,到方法結(jié)束而消亡。
(3)代碼塊內(nèi)的局部變量:在代碼塊內(nèi)定義的局部變量必須在代碼塊內(nèi)顯示的初始化(賦初始值),隨著初始化完成開始生效,隨著代碼塊的結(jié)束而消亡。
package com.zlc.array;
public class TestField {
{
String b ;
//如果不初始化,編譯器就會(huì)報(bào)The local variable b may not have been initialized
System.out.println(b);
}
public static void main(String[] args) {
int a ;
//如果不初始化,編譯器就會(huì)報(bào)The local variable a may not have been initialized
System.out.println(a);
}
}
使用static修飾的成員變量是類變量,屬于類本身,沒有用static修飾的成員變量是實(shí)例變量,屬于該類的實(shí)例,在同一個(gè)JVM里面,每個(gè)類只能對應(yīng)一個(gè)Class對象,但每個(gè)類可以創(chuàng)建多個(gè)java對象。(也就是說一個(gè)類變量只需一塊內(nèi)存空間,而該類每創(chuàng)建一次實(shí)例,就需要為實(shí)例變量分配一塊空間)
實(shí)例變量的初始化過程:從語法角度來說,程序可以在三個(gè)地方對實(shí)例變量執(zhí)行初始化:
(1)定義實(shí)例變量時(shí)指定初始值。
(2)非靜態(tài)塊中對實(shí)例變量指定初始值。
(3)構(gòu)造器中對實(shí)例變量指定初始值。
其中(1)和(2)這兩種方式初始化時(shí)間都比(3)在構(gòu)造器中要早,(1)和(2)兩種初始化順序是按照他們在源碼中的排列順序決定的。
package com.zlc.array;
public class TestField {
public TestField(int age){
System.out.println("構(gòu)造函數(shù)中初始化 this.age = "+this.age);
this.age = age;
}
{
System.out.println("非靜態(tài)塊中初始化");
age = 22;
}
//定義的時(shí)候初始化
int age = 15;
public static void main(String[] args) {
TestField field = new TestField(24);
System.out.println("最終 age = "+field.age);
}
}
運(yùn)行結(jié)果為:非靜態(tài)塊中初始化
構(gòu)造函數(shù)中初始化 this.age = 15
最終 age = 24
如果會(huì)使用javap的話,可以通過javap -c XXXX(class文件)看下改java類是如何編譯的。
定義實(shí)例變量時(shí)指定初始值,初始化塊中為實(shí)例變量指定初始值語句地位是平等的,當(dāng)經(jīng)過編譯器編譯處理之后,他們都被提到構(gòu)造器中,上面所說的 int age = 15;會(huì)劃分下面兩個(gè)步驟執(zhí)行:
1)int age;創(chuàng)建java對象時(shí)系統(tǒng)根據(jù)該語句為該對象分配內(nèi)存。
2)age = 15;這條語句會(huì)被提取到j(luò)ava類的構(gòu)造器中執(zhí)行。
類變量的初始化過程:從語法角度來說,程序可以從兩個(gè)地方對類變量進(jìn)行初始化賦值。
(1)定義類變量時(shí)指定初始值。
(2)靜態(tài)塊中對類變量指定初始值。
兩種執(zhí)行順序和他們在源碼中的排列順序相同,我們舉個(gè)小變態(tài)的例子:
package com.zlc.array;
class TestStatic {
//類成員 DEMO TestStatic實(shí)例
final static TestStatic DEMO = new TestStatic(15);
//類成員 age
static int age = 20;
//實(shí)例變量 curAge
int curAge;
public TestStatic(int years) {
// TODO Auto-generated constructor stub
curAge = age - years;
}
}
public class Test{
public static void main(String[] args) {
System.out.println(TestStatic.DEMO.curAge);
TestStatic staticDemo = new TestStatic(15);
System.out.println(staticDemo.curAge);
}
}
輸出結(jié)果有兩行打印,一個(gè)是打印TestStatic類屬性DEMO的實(shí)例變量,第二個(gè)通過java對象staticDemo輸出TestStatic的實(shí)例屬性,根據(jù)我們上面分析的實(shí)例變量和類變量的初始化流程可以進(jìn)行推斷:
1)初始化第一階段,加載類的時(shí)候?yàn)轭愖兞緿EMO、age分配內(nèi)存空間,此時(shí)DEMO和age的默認(rèn)值分別是null和0。
2)初始化第二階段,程序按順序依次給DEMO、age賦初始值,TestStatic(15)需要調(diào)用TestStatic的構(gòu)造器,此時(shí)age = 0 所以打印結(jié)果為 -15,而當(dāng)staticDemo被初始化的時(shí)候,age已經(jīng)被賦值等于20了,所以輸出結(jié)果為5。
三、在繼承關(guān)系中繼承成員變量和繼承成員方法的區(qū)別
當(dāng)創(chuàng)建任何java對象時(shí),程序總會(huì)先調(diào)用父類的非靜態(tài)塊、父類構(gòu)造器,最后才調(diào)用本類的非靜態(tài)塊和構(gòu)造器。通過子類的構(gòu)造器調(diào)用父類的構(gòu)造器一般分為兩種情況,一個(gè)是隱式調(diào)用,一個(gè)通過super顯示調(diào)用父類的構(gòu)造器。
子類的方法可以調(diào)用父類的實(shí)例變量,這是因?yàn)樽宇惱^承了父類就會(huì)獲取父類的成員變量和方法,但父類的方法不能訪問子類的實(shí)例變量,因?yàn)楦割惒恢浪鼘⒈荒膫€(gè)類繼承,它的子類將會(huì)增加什么樣的成員變量,當(dāng)然在一些極端的例子里面還是可以實(shí)現(xiàn)父類調(diào)用子類變量的,比如:子類重寫了父類的方法,一般都會(huì)打印出默認(rèn)值,因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候子類的實(shí)例變量還沒有初始化。
package com.zlc.array;
class Father{
int age = 50;
public Father() {
// TODO Auto-generated constructor stub
System.out.println(this.getClass());
//this.sonMethod();無法調(diào)用
info();
}
public void info(){
System.out.println(age);
}
}
public class Son extends Father{
int age = 24;
public Son(int age) {
// TODO Auto-generated constructor stub
this.age = age;
}
@Override
public void info() {
// TODO Auto-generated method stub
System.err.println(age);
}
public static void main(String[] args) {
new Son(28);
}
//子類特有的方法
public void sonMethod(){
System.out.println("Son method");
}
}
按照我們正常推斷,通過子類隱式的調(diào)用父類的構(gòu)造器,而在父類的構(gòu)造器中調(diào)用了info()方法(注意:我這里沒有說調(diào)用父類的),按道理來說是輸出了父類的age實(shí)例變量,打印結(jié)果預(yù)計(jì)是50,但實(shí)際輸出的結(jié)果為0,分析原因:
1)java對象的內(nèi)存分配不是在構(gòu)造器中完成的,構(gòu)造器只是完成了初始化賦值的過程,也就是在調(diào)用父類的構(gòu)造器之前,jvm已經(jīng)給這個(gè)Son對象分類好了內(nèi)存空間,這個(gè)空間存放了兩個(gè)age屬性,一個(gè)是子類的age,一個(gè)是父類的age。
2)在調(diào)用new Son(28)的時(shí)候,當(dāng)前的this對象代表著是子類Son的對象,我們可以通過把對象.getClass()打印出來就會(huì)得到class com.zlc.array.Son的結(jié)果,但是當(dāng)前初始化過程又是在父類的構(gòu)造器中進(jìn)行的,通過this.sonMethod()又無法被調(diào)用,這是因?yàn)閠his的編譯類型是Father的緣故。
3)在變量的編譯時(shí)類型和運(yùn)行時(shí)類型不同時(shí),通過該變量訪問它的引用對象的實(shí)例變量時(shí),該實(shí)例變量的值由聲明該變量的類型決定,但通過該變量調(diào)用它引用的對象的實(shí)例方法時(shí),該方法的行為由它實(shí)際引用的對象決定,所以這里調(diào)用的是子類的info方法,所以打印的是子類的age,由于age還沒來得急初始化所以打印默認(rèn)值0。
通俗的來說也就是,當(dāng)聲明的類型和真正new的類型不一致的時(shí)候,使用的屬性是父類的,調(diào)用的方法是子類的。
通過javap -c我們更能直接的體會(huì)為什么繼承屬性和方法會(huì)有很大的區(qū)別,如果我們把上面例子里面,子類Son的info重寫方法去掉,這個(gè)時(shí)候調(diào)用的會(huì)是父類的info方法,是因?yàn)樵谶M(jìn)行編譯的時(shí)候會(huì)把父類的info方法編譯轉(zhuǎn)移到子類里面去,而聲名的成員變量會(huì)留在父類中不進(jìn)行轉(zhuǎn)移,這樣子類和父類擁有了同名的實(shí)例變量,而如果子類重寫了父類的同名方法,則子類的方法會(huì)完全覆蓋掉父類的方法(至于為什么java要這么設(shè)計(jì),個(gè)人也不太清楚)。同名變量能同時(shí)存在不覆蓋,同名方法子類會(huì)徹底覆蓋父類同名方法。
總的來說對于一個(gè)引用變量而言,當(dāng)通過該變量訪問它所引用的對象的實(shí)例變量時(shí),該實(shí)例變量的值取決于聲明該變量時(shí)類型,當(dāng)通過該變量訪問它所引用的對象的方法時(shí),該方法行為取決于它所實(shí)際引用的對象的類型。
最后拿個(gè)小case復(fù)習(xí)下:
package com.zlc.array;
class Animal{
int age ;
public Animal(){
}
public Animal(int age) {
// TODO Auto-generated constructor stub
this.age = age;
}
void run(){
System.out.println("animal run "+age);
}
}
class Dog extends Animal{
int age;
String name;
public Dog(int age,String name) {
// TODO Auto-generated constructor stub
this.age = age;
this.name = name;
}
@Override
void run(){
System.out.println("dog run "+age);
}
}
public class TestExtends {
public static void main(String[] args) {
Animal animal = new Animal(5);
System.out.println(animal.age);
animal.run();
Dog dog = new Dog(1, "xiaobai");
System.out.println(dog.age);
dog.run();
Animal animal2 = new Dog(11, "wangcai");
System.out.println(animal2.age);
animal2.run();
Animal animal3;
animal3 = dog;
System.out.println(animal3.age);
animal3.run();
}
}
想要調(diào)用父類的方法:可以通過super來調(diào)用,但super關(guān)鍵字沒有引用任何對象,它不能當(dāng)做真正的引用變量來使用,有興趣的朋友可以自己研究下。
上面介紹的都是實(shí)例變量和方法,類變量和類方法要簡單多了,直接使用類名.方法就方便了很多,也不會(huì)遇到那么多麻煩。
四、final修飾符的使用(特別是宏替換)
(1)inal可以修飾變量,被final修飾的變量被賦初始值之后,不能對他重新賦值。
(2)inal可以修飾方法,被final修飾的方法不能被重寫。
(3)inal可以修飾類,被final修飾的類不能派生子類。
被final修飾的變量必須顯示的指定初始值:
對于是final修飾的是實(shí)例變量,則只能在下列三個(gè)指定位置賦初始值。
(1)定義final實(shí)例變量時(shí)指定初始值。
(2)在非靜態(tài)塊中為final實(shí)例變量指定初始值。
(3)在構(gòu)造器中為final實(shí)例變量指定初始值。
最終都會(huì)被提到構(gòu)造器中進(jìn)行初始化。
對于用final指定的類變量:只能在指定的兩個(gè)地方進(jìn)行賦初始值。
(1)定義final類變量的時(shí)候指定初始值。
(2)在靜態(tài)塊中為final類變量指定初始值。
同樣經(jīng)過編譯器處理,不同于實(shí)例變量的是,類變量都是提到靜態(tài)塊中進(jìn)行賦初始值,而實(shí)例變量是提到構(gòu)造器中完成。
被final修飾的類變量還有一種特性,就是“宏替換”,當(dāng)被修飾的類變量滿足在定義該變量的時(shí)候就指定初始值,而且這個(gè)初始值在編譯的時(shí)候就能確定下來(比如:18、"aaaa"、16.78等一些直接量),那么該final修飾的類變量不在是一個(gè)變量,系統(tǒng)就會(huì)當(dāng)成“宏變量”處理(就是我們常說的常量),如果在編譯的時(shí)候就能確定初始值,則就不會(huì)被提到靜態(tài)塊中進(jìn)行初始化了,直接在類定義中直接使該初始值代替掉final變量。我們還是舉那個(gè)年齡減去year的例子:
package com.zlc.array;
class TestStatic {
//類成員 DEMO TestStatic實(shí)例
final static TestStatic DEMO = new TestStatic(15);
//類成員 age
final static int age = 20;
//實(shí)例變量 curAge
int curAge;
public TestStatic(int years) {
// TODO Auto-generated constructor stub
curAge = age - years;
}
}
public class Test{
public static void main(String[] args) {
System.out.println(TestStatic.DEMO.curAge);
TestStatic static1 = new TestStatic(15);
System.out.println(static1.curAge);
}
}
這個(gè)時(shí)候的age 被final修飾了,所以在編譯的時(shí)候,父類中所有的age都變成了20,而不是一個(gè)變量,這樣輸出的結(jié)果就能達(dá)到我們的預(yù)期。
特別是在對字符串進(jìn)行比較的時(shí)候更能顯示出
package com.zlc.array;
public class TestString {
static String static_name1 = "java";
static String static_name2 = "me";
static String statci_name3 = static_name1+static_name2;
final static String final_static_name1 = "java";
final static String final_static_name2 = "me";
//加final 或者不加都行 前面兩個(gè)能被宏替換就行了
final static String final_statci_name3 = final_static_name1+final_static_name2;
public static void main(String[] args) {
String name1 = "java";
String name2 = "me";
String name3 = name1+name2;
//(1)
System.out.println(name3 == "javame");
//(2)
System.out.println(TestString.statci_name3 == "javame");
//(3)
System.out.println(TestString.final_statci_name3 == "javame");
}
}
用final修飾方法和類沒有什么好說的,只是一個(gè)不能被子類重寫(和private一樣),一個(gè)不能派生子類。
用final修飾局部變量的時(shí)候,Java要求被內(nèi)部類訪問的局部變量都是用final修飾,這個(gè)是有原因的,對于普通局部變量而言,它的作用域就停留在該方法內(nèi),當(dāng)方法結(jié)束時(shí),該局部變量也就消失了,但內(nèi)部類可能產(chǎn)生隱式的“閉包”,閉包使得局部變量脫離他所在的方法繼續(xù)存在。
有時(shí)候在會(huì)在一個(gè)方法里面new 一個(gè)線程,然后調(diào)用該方法的局部變量,這個(gè)時(shí)候需要把改變量聲明為final修飾的。
五、對象占用內(nèi)存的計(jì)算方法
使用system.gc()和java.lang.Runtime類中的freeMemory(),totalMemory(),maxMemory()這幾個(gè)方法測量Java對象的大小。這種方法通常使用在需要對很多資源進(jìn)行精確確定對象的大小。這種方法幾乎無用等生產(chǎn)系統(tǒng)緩存的實(shí)現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)類型大小無關(guān)的,不同的操作系統(tǒng),都可以得到占用的內(nèi)存。
它使用反射API用于遍歷對象的成員變量的層次結(jié)構(gòu)和計(jì)算所有原始變量的大小。這種方法不需要如此多的資源,可用于緩存的實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是原始類型大小是不同的不同的JVM實(shí)現(xiàn)對應(yīng)有不同的計(jì)算方法。
JDK5.0之后Instrumentation API提供了 getObjectSize方法來計(jì)算對象占用的內(nèi)存大小。
默認(rèn)情況下并沒有計(jì)算到引用對象的大小,為了計(jì)算引用對象,可以使用反射獲取。下面這個(gè)方法是上面文章里面提供的一個(gè)計(jì)算包含引用對象大小的實(shí)現(xiàn):
public class SizeOfAgent {
static Instrumentation inst;
/** initializes agent */
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instP) {
inst = instP;
}
/**
* Returns object size without member sub-objects.
* @param o object to get size of
* @return object size
*/
public static long sizeOf(Object o) {
if(inst == null) {
throw new IllegalStateException("Can not access instrumentation environment.\n" +
"Please check if jar file containing SizeOfAgent class is \n" +
"specified in the java's \"-javaagent\" command line argument.");
}
return inst.getObjectSize(o);
}
/**
* Calculates full size of object iterating over
* its hierarchy graph.
* @param obj object to calculate size of
* @return object size
*/
public static long fullSizeOf(Object obj) {
Map<Object, Object> visited = new IdentityHashMap<Object, Object>();
Stack<Object> stack = new Stack<Object>();
long result = internalSizeOf(obj, stack, visited);
while (!stack.isEmpty()) {
result += internalSizeOf(stack.pop(), stack, visited);
}
visited.clear();
return result;
}
private static boolean skipObject(Object obj, Map<Object, Object> visited) {
if (obj instanceof String) {
// skip interned string
if (obj == ((String) obj).intern()) {
return true;
}
}
return (obj == null) // skip visited object
|| visited.containsKey(obj);
}
private static long internalSizeOf(Object obj, Stack<Object> stack, Map<Object, Object> visited) {
if (skipObject(obj, visited)){
return 0;
}
visited.put(obj, null);
long result = 0;
// get size of object + primitive variables + member pointers
result += SizeOfAgent.sizeOf(obj);
// process all array elements
Class clazz = obj.getClass();
if (clazz.isArray()) {
if(clazz.getName().length() != 2) {// skip primitive type array
int length = Array.getLength(obj);
for (int i = 0; i < length; i++) {
stack.add(Array.get(obj, i));
}
}
return result;
}
// process all fields of the object
while (clazz != null) {
Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
for (int i = 0; i < fields.length; i++) {
if (!Modifier.isStatic(fields[i].getModifiers())) {
if (fields[i].getType().isPrimitive()) {
continue; // skip primitive fields
} else {
fields[i].setAccessible(true);
try {
// objects to be estimated are put to stack
Object objectToAdd = fields[i].get(obj);
if (objectToAdd != null) {
stack.add(objectToAdd);
}
} catch (IllegalAccessException ex) {
assert false;
}
}
}
}
clazz = clazz.getSuperclass();
}
return result;
}
}
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