深入Java核心 Java內存分配原理精講

Java內存分配與管理是Java的核心技術之一，之前我們曾介紹過Java的內存管理與內存泄露以及Java垃圾回收方面的知識，今天我們再次深入Java核心，詳細介紹一下Java在內存分配方面的知識。一般Java在內存分配時會涉及到以下區域：

◆寄存器：我們在程序中無法控制

◆棧：存放基本類型的數據和對象的引用，但對象本身不存放在棧中，而是存放在堆中

◆堆：存放用new產生的數據

◆靜態域：存放在對象中用static定義的靜態成員

◆常量池：存放常量

◆非RAM存儲：硬盤等永久存儲空間

Java內存分配中的棧

在方法中定義的一些基本類型的變量數據和對象的引用變量都在函數的棧內存中分配。
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當在一段代碼塊定義一個變量時，Java就在棧中為這個變量分配內存空間，當該變量退出該作用域后，Java會自動釋放掉為該變量所分配的內存空間，該內存空間可以立即被另作他用。

Java內存分配中的堆

堆內存用來存放由new創建的對象和數組。在堆中分配的內存，由Java虛擬機的自動垃圾回收器來管理。

在堆中產生了一個數組或對象后，還可以在棧中定義一個特殊的變量，讓棧中這個變量的取值等于數組或對象在堆內存中的首地址，棧中的這個變量就成了數組或對象的引用變量。? 引用變量就相當于是為數組或對象起的一個名稱，以后就可以在程序中使用棧中的引用變量來訪問堆中的數組或對象。引用變量就相當于是為數組或者對象起的一個名稱。

引用變量是普通的變量，定義時在棧中分配，引用變量在程序運行到其作用域之外后被釋放。而數組和對象本身在堆中分配，即使程序運行到使用 new 產生數組或者對象的語句所在的代碼塊之外，數組和對象本身占據的內存不會被釋放，數組和對象在沒有引用變量指向它的時候，才變為垃圾，不能在被使用，但仍然占據內存空間不放，在隨后的一個不確定的時間被垃圾回收器收走（釋放掉）。這也是 Java 比較占內存的原因。

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！
?
常量池 (constant pool)

常量池指的是在編譯期被確定，并被保存在已編譯的.class文件中的一些數據。除了包含代碼中所定義的各種基本類型（如int、long等等）和對象型（如String及數組）的常量值(final)還包含一些以文本形式出現的符號引用，比如：

◆類和接口的全限定名；

◆字段的名稱和描述符；

◆方法和名稱和描述符。

虛擬機必須為每個被裝載的類型維護一個常量池。常量池就是該類型所用到常量的一個有序集和，包括直接常量（string,integer和 floating point常量）和對其他類型，字段和方法的符號引用。

對于String常量，它的值是在常量池中的。而JVM中的常量池在內存當中是以表的形式存在的，對于String類型，有一張固定長度的CONSTANT_String_info表用來存儲文字字符串值，注意：該表只存儲文字字符串值，不存儲符號引用。說到這里，對常量池中的字符串值的存儲位置應該有一個比較明了的理解了。
在程序執行的時候,常量池會儲存在Method Area,而不是堆中。

堆與棧

Java的堆是一個運行時數據區,類的(對象從中分配空間。這些對象通過new、newarray、 anewarray和multianewarray等指令建立，它們不需要程序代碼來顯式的釋放。堆是由垃圾回收來負責的，堆的優勢是可以動態地分配內存大小，生存期也不必事先告訴編譯器，因為它是在運行時動態分配內存的，Java的垃圾收集器會自動收走這些不再使用的數據。但缺點是，由于要在運行時動態分配內存，存取速度較慢。

棧的優勢是，存取速度比堆要快，僅次于寄存器，棧數據可以共享。但缺點是，存在棧中的數據大小與生存期必須是確定的，缺乏靈活性。棧中主要存放一些基本類型的變量數據（int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和對象句柄(引用)。

棧有一個很重要的特殊性，就是存在棧中的數據可以共享。假設我們同時定義：

int?a?=?3;? ?
int?b?=?3；??

編譯器先處理int a = 3；首先它會在棧中創建一個變量為a的引用，然后查找棧中是否有3這個值，如果沒找到，就將3存放進來，然后將a指向3。接著處理int b = 3；在創建完b的引用變量后，因為在棧中已經有3這個值，便將b直接指向3。這樣，就出現了a與b同時均指向3的情況。

這時，如果再令 a=4；那么編譯器會重新搜索棧中是否有4值，如果沒有，則將4存放進來，并令a指向4；如果已經有了，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。

要注意這種數據的共享與兩個對象的引用同時指向一個對象的這種共享是不同的，因為這種情況a的修改并不會影響到b, 它是由編譯器完成的，它有利于節省空間。而一個對象引用變量修改了這個對象的內部狀態，會影響到另一個對象引用變量。

String是一個特殊的包裝類數據。可以用：

String?str?=?new?String("abc");? ?
String?str?=?"abc";??

兩種的形式來創建，第一種是用new()來新建對象的，它會在存放于堆中。每調用一次就會創建一個新的對象。而第二種是先在棧中創建一個對String類的對象引用變量str，然后通過符號引用去字符串常量池里找有沒有"abc",如果沒有，則將"abc"存放進字符串常量池，并令str指向”abc”，如果已經有”abc” 則直接令str指向“abc”。

比較類里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==，下面用例子說明上面的理論。

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

可以看出str1和str2是指向同一個對象的。

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

用new的方式是生成不同的對象。每一次生成一個。

因此用第二種方式創建多個”abc”字符串,在內存中其實只存在一個對象而已. 這種寫法有利與節省內存空間. 同時它可以在一定程度上提高程序的運行速度，因為JVM會自動根據棧中數據的實際情況來決定是否有必要創建新對象。而對于String str = new String("abc")；的代碼，則一概在堆中創建新對象，而不管其字符串值是否相等，是否有必要創建新對象，從而加重了程序的負擔。

另一方面, 要注意: 我們在使用諸如String str = "abc"；的格式定義類時，總是想當然地認為，創建了String類的對象str。擔心陷阱！對象可能并沒有被創建！而可能只是指向一個先前已經創建的對象。只有通過new()方法才能保證每次都創建一個新的對象。
?
由于String類的immutable性質，當String變量需要經常變換其值時，應該考慮使用StringBuffer類，以提高程序效率。
?
1. 首先String不屬于8種基本數據類型，String是一個對象。因為對象的默認值是null，所以String的默認值也是null；但它又是一種特殊的對象，有其它對象沒有的一些特性。

2. new String()和new String(”")都是申明一個新的空字符串，是空串不是null；

3. String str=”kvill”；String str=new String (”kvill”)的區別

示例：

String?s0="kvill";? ?
String?s1="kvill";? ?
String?s2="kv"?+?"ill";? ?
System.out.println(?s0==s1?);? ?
System.out.println(?s0==s2?);??

結果為：

true?
true

首先，我們要知結果為道Java 會確保一個字符串常量只有一個拷貝。

因為例子中的 s0和s1中的”kvill”都是字符串常量，它們在編譯期就被確定了，所以s0==s1為true；而”kv”和”ill”也都是字符串常量，當一個字符串由多個字符串常量連接而成時，它自己肯定也是字符串常量，所以s2也同樣在編譯期就被解析為一個字符串常量，所以s2也是常量池中” kvill”的一個引用。所以我們得出s0==s1==s2；用new String() 創建的字符串不是常量，不能在編譯期就確定，所以new String() 創建的字符串不放入常量池中，它們有自己的地址空間。

示例：

String?s0="kvill";? ?
String?s1=new?String("kvill");? ?
String?s2="kv"?+?new?String("ill");? ?
System.out.println(?s0==s1?);? ?
System.out.println(?s0==s2?);? ?
System.out.println(?s1==s2?);??

結果為：

false?
false?
false

例2中s0還是常量池中"kvill”的應用，s1因為無法在編譯期確定，所以是運行時創建的新對象”kvill”的引用，s2因為有后半部分 new String(”ill”)所以也無法在編譯期確定，所以也是一個新創建對象”kvill”的應用;明白了這些也就知道為何得出此結果了。

4. String.intern()：

再補充介紹一點：存在于.class文件中的常量池，在運行期被JVM裝載，并且可以擴充。String的 intern()方法就是擴充常量池的一個方法；當一個String實例str調用intern()方法時，Java 查找常量池中是否有相同Unicode的字符串常量，如果有，則返回其的引用，如果沒有，則在常量池中增加一個Unicode等于str的字符串并返回它的引用；看示例就清楚了

示例：

String?s0=?"kvill";? ?
String?s1=new?String("kvill");? ?
String?s2=new?String("kvill");? ?
System.out.println(?s0==s1?);? ?
System.out.println(?"**********"?);? ?
s1.intern();? ?
s2=s2.intern();?//把常量池中"kvill"的引用賦給s2? ?
System.out.println(?s0==s1);? ?
System.out.println(?s0==s1.intern()?);? ?
System.out.println(?s0==s2?);??

結果為：

false?
false //雖然執行了s1.intern(),但它的返回值沒有賦給s1?
true //說明s1.intern()返回的是常量池中"kvill"的引用?
true

最后我再破除一個錯誤的理解：有人說，“使用 String.intern() 方法則可以將一個 String 類的保存到一個全局 String 表中，如果具有相同值的 Unicode 字符串已經在這個表中，那么該方法返回表中已有字符串的地址，如果在表中沒有相同值的字符串，則將自己的地址注冊到表中”如果我把他說的這個全局的 String 表理解為常量池的話，他的最后一句話，”如果在表中沒有相同值的字符串，則將自己的地址注冊到表中”是錯的：

示例：

String?s1=new?String("kvill");? ?
String?s2=s1.intern();? ?
System.out.println(?s1==s1.intern()?);? ?
System.out.println(?s1+"?"+s2?);? ?
System.out.println(?s2==s1.intern()?);??

結果：

false?
kvill kvill?
true

在這個類中我們沒有聲名一個”kvill”常量，所以常量池中一開始是沒有”kvill”的，當我們調用s1.intern()后就在常量池中新添加了一個”kvill”常量，原來的不在常量池中的”kvill”仍然存在，也就不是“將自己的地址注冊到常量池中”了。

s1==s1.intern() 為false說明原來的”kvill”仍然存在；s2現在為常量池中”kvill”的地址，所以有s2==s1.intern()為true。

5. 關于equals()和==:

這個對于String簡單來說就是比較兩字符串的Unicode序列是否相當，如果相等返回true;而==是比較兩字符串的地址是否相同，也就是是否是同一個字符串的引用。

6. 關于String是不可變的

這一說又要說很多，大家只要知道String的實例一旦生成就不會再改變了，比如說：String str=”kv”+”ill”+” “+”ans”; 就是有4個字符串常量，首先”kv”和”ill”生成了”kvill”存在內存中，然后”kvill”又和” ” 生成 “kvill “存在內存中，最后又和生成了”kvill ans”;并把這個字符串的地址賦給了str,就是因為String的”不可變”產生了很多臨時變量，這也就是為什么建議用StringBuffer的原因了，因為StringBuffer是可改變的。

下面是一些String相關的常見問題：

String中的final用法和理解

final StringBuffer a = new StringBuffer("111");
final StringBuffer b = new StringBuffer("222");
a=b;//此句編譯不通過
final StringBuffer a = new StringBuffer("111");
a.append("222");// 編譯通過

可見，final只對引用的"值"(即內存地址)有效，它迫使引用只能指向初始指向的那個對象，改變它的指向會導致編譯期錯誤。至于它所指向的對象的變化，final是不負責的。

String常量池問題的幾個例子

下面是幾個常見例子的比較分析和理解：

String?a?=?"a1";? ?
String?b?=?"a"?+?1;? ?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?true ?
String?a?=?"atrue";? ?
String?b?=?"a"?+?"true";? ?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?true ?
String?a?=?"a3.4";? ?
String?b?=?"a"?+?3.4;? ?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?true?

分析：JVM對于字符串常量的"+"號連接，將程序編譯期，JVM就將常量字符串的"+"連接優化為連接后的值，拿"a" + 1來說，經編譯器優化后在class中就已經是a1。在編譯期其字符串常量的值就確定下來，故上面程序最終的結果都為true。

String?a?=?"ab";? ?
String?bb?=?"b";? ?
String?b?=?"a"?+?bb;? ?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?false?

分析：JVM對于字符串引用，由于在字符串的"+"連接中，有字符串引用存在，而引用的值在程序編譯期是無法確定的，即"a" + bb無法被編譯器優化，只有在程序運行期來動態分配并將連接后的新地址賦給b。所以上面程序的結果也就為false。

String?a?=?"ab";? ?
final?String?bb?=?"b";? ?
String?b?=?"a"?+?bb;? ?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?true?

分析：和[3]中唯一不同的是bb字符串加了final修飾，對于final修飾的變量，它在編譯時被解析為常量值的一個本地拷貝存儲到自己的常量池中或嵌入到它的字節碼流中。所以此時的"a" + bb和"a" + "b"效果是一樣的。故上面程序的結果為true。

String?a?=?"ab";? ?
final?String?bb?=?getBB();? ?
String?b?=?"a"?+?bb;? ?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?false? ?
private?static?String?getBB()?{ ?
return?"b";? ?
}?

分析：JVM對于字符串引用bb，它的值在編譯期無法確定，只有在程序運行期調用方法后，將方法的返回值和"a"來動態連接并分配地址為b，故上面程序的結果為false。

通過上面4個例子可以得出得知：

String? s? =? "a" + "b" + "c";?
??
就等價于String s = "abc";??

String? a? =? "a";???
String? b? =? "b";???
String? c? =? "c";???
String? s? =?? a? +? b? +? c;?

這個就不一樣了，最終結果等于：?
?

StringBuffer?temp?=?new?StringBuffer();??? ?
temp.append(a).append(b).append(c);??? ?
String?s?=?temp.toString();?

由上面的分析結果，可就不難推斷出String 采用連接運算符（+）效率低下原因分析，形如這樣的代碼：

public?class?Test?{ ?
public?static?void?main(String?args[])?{ ?
String?s?=?null; ?
for(int?i?=?0;?i?<?100;?i++)?{ ?
s?+=?"a"; ?
} ?
} ?
}?

每做一次 + 就產生個StringBuilder對象，然后append后就扔掉。下次循環再到達時重新產生個StringBuilder對象，然后 append 字符串，如此循環直至結束。如果我們直接采用 StringBuilder 對象進行 append 的話，我們可以節省 N - 1 次創建和銷毀對象的時間。所以對于在循環中要進行字符串連接的應用，一般都是用StringBuffer或StringBulider對象來進行 append操作。

String對象的intern方法理解和分析：

public?class?Test4?{ ?
private?static?String?a?=?"ab";? ?
public?static?void?main(String[]?args){ ?
String?s1?=?"a"; ?
String?s2?=?"b"; ?
String?s?=?s1?+?s2; ?
System.out.println(s?==?a);//false ?
System.out.println(s.intern()?==?a);//true?? ?
} ?
}?