Java 棧(stack)與堆(heap) 詳解

Java 棧(stack)與堆(heap)
1.概念
    棧(stack)與堆(heap)都是Java用來在Ram中存放數據的地方。與C++不一樣，Java自動管理棧和堆，程序員不能直接地設置棧或堆。
棧,堆的數據結構
    棧就像裝數據的桶或箱子
      它是一種具備後進先出性質的數據結構，也就是說後存放的先取，先存放的後取。
      這就如同咱們要取出放在箱子裏面底下的東西（放入的比較早的物體），咱們首先要移開壓在它上面的物體（放入的比較晚的物體）。
    堆像一棵倒過來的樹
      而堆就不一樣了，堆是一種通過排序的樹形數據結構，每一個結點都有一個值。一般咱們所說的堆的數據結構，是指二叉堆。
      堆的特色是根結點的值最小（或最大），且根結點的兩個子樹也是一個堆。
      因爲堆的這個特性，經常使用來實現優先隊列，堆的存取是隨意，這就如同咱們在圖書館的書架上取書，雖然書的擺放是有順序的，可是咱們想取任意一本時沒必要像棧同樣，先取出前面全部的書，書架這種機制不一樣於箱子，咱們能夠直接取出咱們想要的書。
棧:在函數中定義的一些基本類型的變量和對象的引用變量都是在函數的棧內存中分配。當在一段代碼塊中定義一個變量時，java就在棧中爲這個變量分配內存空間，當超過變量的做用域後，java會自動釋放掉爲該變量分配的內存空間，該內存空間能夠馬上被另做他用。
堆:堆內存用於存放由new建立的對象和數組。在堆中分配的內存，由java虛擬機自動垃圾回收器來管理。在堆中產生了一個數組或者對象後，還能夠在棧中定義一個特殊的變量，這個變量的取值等於數組或者對象在堆內存中的首地址，在棧中的這個特殊的變量就變成了數組或者對象的引用變量，之後就能夠在程序中使用棧內存中的引用變量來訪問堆中的數組或者對象，引用變量至關於爲數組或者對象起的一個別名，或者代號。
引用變量是普通變量，定義時在棧中分配內存，引用變量在程序運行到做用域外釋放。而數組＆對象自己在堆中分配，即便程序運行到使用new產生數組和對象的語句所在地代碼塊以外，數組和對象自己佔用的堆內存也不會被釋放，數組和對象在沒有引用變量指向它的時候，才變成垃圾，不能再被使用，可是仍然佔着內存，在隨後的一個不肯定的時間被垃圾回收器釋放掉。這個也是java比較佔內存的主要緣由，實際上，棧中的變量指向堆內存中的變量，這就是 Java 中的指針!
2.優缺點
棧的優點是存取速度比堆要快，僅次於直接位於CPU中的寄存器。但缺點是，存在棧中的數據大小與生存期必須是肯定的，缺少靈活性。另外，棧數據能夠共享。
堆的優點是能夠動態地分配內存大小，生存期也沒必要事先告訴編譯器，Java的垃圾收集器會自動收走這些再也不使用的數據。但缺點是，因爲要在運行時動態分配內存，存取速度較慢。
3.具體實例
基本類型(primitive types), 共有8種，即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意，並無string的基本類型)。這種類型的定義是經過諸如int a = 3; long b = 255L;的形式來定義的，稱爲自動變量。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，這裏並無類的存在。如int a = 3; 這裏的a是一個指向int類型的引用，指向3這個字面值。這些字面值的數據，因爲大小可知，生存期可知(這些字面值固定定義在某個程序塊裏面，程序塊退出後，字段值就消失了)，出於追求速度的緣由，就存在於棧中。
棧有一個很重要的特殊性，就是存在棧中的數據能夠共享:
eg:
int a = 3;
int b = 3；
編譯器先處理int a = 3；首先它會在棧中建立一個變量爲a的引用，而後查找有沒有字面值爲3的地址，沒找到，就開闢一個存放3這個字面值的地址，而後將a指向3的地址。接着處理int b = 3；在建立完b的引用變量後，因爲在棧中已經有3這個字面值，便將b直接指向3的地址。這樣，就出現了a與b同時均指向3的狀況。
特別注意的是，這種字面值的引用與類對象的引用不一樣。假定兩個類對象的引用同時指向一個對象，若是一個對象引用變量修改了這個對象的內部狀態，那麼另外一個對象引用變量也即刻反映出這個變化。相反，經過字面值的引用來修改其值，不會致使另外一個指向此字面值的引用的值也跟着改變的狀況。如上例，咱們定義完a與b的值後，再令a=4；那麼，b不會等於4，仍是等於3。在編譯器內部，遇到a=4；時，它就會從新搜索棧中是否有4的字面值，若是沒有，從新開闢地址存放4的值；若是已經有了，則直接將a指向這個地址。所以a值的改變不會影響到b的值。

另外一種是包裝類數據，如Integer, String, Double等將相應的基本數據類型包裝起來的類。這些類數據所有存在於堆中，Java用new()語句來顯示地告訴編譯器，在運行時才根據須要動態建立，所以比較靈活，但缺點是要佔用更多的時間。 4. String是一個特殊的包裝類數據。便可以用String str = new String("abc");的形式來建立，也能夠用String str = "abc"；的形式來建立(做爲對比，在JDK 5.0以前，你從未見過Integer i = 3;的表達式，由於類與字面值是不能通用的，除了String。而在JDK 5.0中，這種表達式是能夠的！由於編譯器在後臺進行Integer i = new Integer(3)的轉換)。前者是規範的類的建立過程，即在Java中，一切都是對象，而對象是類的實例，所有經過new()的形式來建立。Java中的有些類，如DateFormat類，能夠經過該類的getInstance()方法來返回一個新建立的類，彷佛違反了此原則。其實否則。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部經過new()來建立的，而getInstance()向外部隱藏了此細節。那爲何在String str = "abc"；中，並無經過new()來建立實例，是否是違反了上述原則？其實沒有。

5. 關於String str = "abc"的內部工做。Java內部將此語句轉化爲如下幾個步驟：

(1)先定義一個名爲str的對String類的對象引用變量：String str；

(2)在棧中查找有沒有存放值爲"abc"的地址，若是沒有，則開闢一個存放字面值爲"abc"的地址，接着建立一個新的String類的對象o，並將o的字符串值指向這個地址，並且在棧中這個地址旁邊記下這個引用的對象o。若是已經有了值爲"abc"的地址，則查找對象o，並返回o的地址。

(3)將str指向對象o的地址。

值得注意的是，通常String類中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；這種場合下，其字符串值倒是保存了一個指向存在棧中數據的引用！

爲了更好地說明這個問題，咱們能夠經過如下的幾個代碼進行驗證。
複製內容到剪貼板代碼:
String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //true
注意，咱們這裏並不用str1.equals(str2)；的方式，由於這將比較兩個字符串的值是否相等。==號，根據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。而咱們在這裏要看的是，str1與str2是否都指向了同一個對象。
結果說明，JVM建立了兩個引用str1和str2，但只建立了一個對象，並且兩個引用都指向了這個對象。

咱們再來更進一步，將以上代碼改爲：
複製內容到剪貼板代碼:
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，賦值的變化致使了類對象引用的變化，str1指向了另一個新對象！而str2仍舊指向原來的對象。上例中，當咱們將str1的值改成"bcd"時，JVM發如今棧中沒有存放該值的地址，便開闢了這個地址，並建立了一個新的對象，其字符串的值指向這個地址。

事實上，String類被設計成爲不可改變(immutable)的類。若是你要改變其值，能夠，但JVM在運行時根據新值悄悄建立了一個新對象，而後將這個對象的地址返回給原來類的引用。這個建立過程雖然說是徹底自動進行的，但它畢竟佔用了更多的時間。在對時間要求比較敏感的環境中，會帶有必定的不良影響。

再修改原來代碼：
複製內容到剪貼板代碼:
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並無建立新對象)。當str1改完其值後，再建立一個String的引用str4，並指向因str1修改值而建立的新的對象。能夠發現，這回str4也沒有建立新的對象，從而再次實現棧中數據的共享。

咱們再接着看如下的代碼。
複製內容到剪貼板代碼:
String str1 = new String("abc");
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //false 建立了兩個引用。建立了兩個對象。兩個引用分別指向不一樣的兩個對象。

String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
System.out.println(str1==str2); //false
建立了兩個引用。建立了兩個對象。兩個引用分別指向不一樣的兩個對象。

以上兩段代碼說明，只要是用new()來新建對象的，都會在堆中建立，並且其字符串是單獨存值的，即便與棧中的數據相同，也不會與棧中的數據共享。

6. 數據類型包裝類的值不可修改。不只僅是String類的值不可修改，全部的數據類型包裝類都不能更改其內部的值。 7. 結論與建議：

(1)咱們在使用諸如String str = "abc"；的格式定義類時，老是想固然地認爲，咱們建立了String類的對象str。擔憂陷阱！對象可能並無被建立！惟一能夠確定的是，指向String類的引用被建立了。至於這個引用究竟是否指向了一個新的對象，必須根據上下文來考慮，除非你經過new()方法來顯要地建立一個新的對象。所以，更爲準確的說法是，咱們建立了一個指向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爲"abc"的String類。清醒地認識到這一點對排除程序中難以發現的bug是頗有幫助的。

(2)使用String str = "abc"；的方式，能夠在必定程度上提升程序的運行速度，由於JVM會自動根據棧中數據的實際狀況來決定是否有必要建立新對象。而對於String str = new String("abc")；的代碼，則一律在堆中建立新對象，而無論其字符串值是否相等，是否有必要建立新對象，從而加劇了程序的負擔。這個思想應該是享元模式的思想，但JDK的內部在這裏實現是否應用了這個模式，不得而知。

(3)當比較包裝類裏面的數值是否相等時，用equals()方法；當測試兩個包裝類的引用是否指向同一個對象時，用==。

(4)因爲String類的immutable性質，當String變量須要常常變換其值時，應該考慮使用StringBuffer類，以提升程序效率。