java 堆棧詳解 – JAVA編程語言程序開發技術文章

做android很長時間瞭!對於java的堆棧瞭解的不是很清晰,一直在看,一直在學習,突然看到瞭一篇講java對戰很好的文章,轉過來給大傢分享瞭!

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Java棧與堆

 

1. 棧(stack)與堆(heap)都是Java用來在Ram中存放數據的地方。與C++不同,Java自動管理棧和堆,程序員不能直接地設置棧或堆。

2. 棧的優勢是,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確定的,缺乏靈活性。另外,棧數據可以共享,詳見第3點。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,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,由於要在運行時動態分配內存,存取速度較慢。

3. Java中的數據類型有兩種。

一種是基本類型(primitive types), 共有8種,即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(註意,並沒有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。值得註意的是,自動變量存的是字面值,不是類的實例,即不是類的引用,這裡並沒有類的存在。如int a = 3; 這裡的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,由於大小可知,生存期可知(這些字面值固定定義在某個程序塊裡面,程序塊退出後,字段值就消失瞭),出於追求速度的原因,就存在於棧中。

另外,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:
復制內容到剪貼板代碼:
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,然後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,然後將a指向3的地址。接著處理int b = 3;在創建完b的引用變量後,由於在棧中已經有3這個字面值,便將b直接指向3的地址。這樣,就出現瞭a與b同時均指向3的情況。

特別註意的是,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瞭這個對象的內部狀態,那麼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的值後,再令a=4;那麼,b不會等於4,還是等於3。在編譯器內部,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;如果已經有瞭,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。這些類數據全部存在於堆中,Java用new()語句來顯示地告訴編譯器,在運行時才根據需要動態創建,因此比較靈活,但缺點是要占用更多的時間。 4. String是一個特殊的包裝類數據。即可以用String str = new String("abc");的形式來創建,也可以用String str = "abc";的形式來創建(作為對比,在JDK 5.0之前,你從未見過Integer i = 3;的表達式,因為類與字面值是不能通用的,除瞭String。而在JDK 5.0中,這種表達式是可以的!因為編譯器在後臺進行Integer i = new Integer(3)的轉換)。前者是規范的類的創建過程,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建的類,似乎違反瞭此原則。其實不然。該類運用瞭單例模式來返回類的實例,隻不過這個實例是在該類內部通過new()來創建的,而getInstance()向外部隱藏瞭此細節。那為什麼在String str = "abc";中,並沒有通過new()來創建實例,是不是違反瞭上述原則?其實沒有。

5. 關於String str = "abc"的內部工作。Java內部將此語句轉化為以下幾個步驟:

(1)先定義一個名為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,接著創建一個新的String類的對象o,並將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。如果已經有瞭值為"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。

值得註意的是,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瞭一個指向存在棧中數據的引用!

為瞭更好地說明這個問題,我們可以通過以下的幾個代碼進行驗證。
復制內容到剪貼板代碼:
String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //true
註意,我們這裡並不用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JDK的說明,隻有在兩個引用都指向瞭同一個對象時才返回真值。而我們在這裡要看的是,str1與str2是否都指向瞭同一個對象。
結果說明,JVM創建瞭兩個引用str1和str2,但隻創建瞭一個對象,而且兩個引用都指向瞭這個對象。

我們再來更進一步,將以上代碼改成:
復制內容到剪貼板代碼:
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,賦值的變化導致瞭類對象引用的變化,str1指向瞭另外一個新對象!而str2仍舊指向原來的對象。上例中,當我們將str1的值改為"bcd"時,JVM發現在棧中沒有存放該值的地址,便開辟瞭這個地址,並創建瞭一個新的對象,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在運行時根據新值悄悄創建瞭一個新對象,然後將這個對象的地址返回給原來類的引用。這個創建過程雖說是完全自動進行的,但它畢竟占用瞭更多的時間。在對時間要求比較敏感的環境中,會帶有一定的不良影響。

再修改原來代碼:
復制內容到剪貼板代碼:
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(註意,str3並沒有創建新對象)。當str1改完其值後,再創建一個String的引用str4,並指向因str1修改值而創建的新的對象。可以發現,這回str4也沒有創建新的對象,從而再次實現棧中數據的共享。

我們再接著看以下的代碼。
復制內容到剪貼板代碼:
String str1 = new String("abc");
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //false 創建瞭兩個引用。創建瞭兩個對象。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
創建瞭兩個引用。創建瞭兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。

以上兩段代碼說明,隻要是用new()來新建對象的,都會在堆中創建,而且其字符串是單獨存值的,即使與棧中的數據相同,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。不僅僅是String類的值不可修改,所有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)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,我們創建瞭String類的對象str。擔心陷阱!對象可能並沒有被創建!唯一可以肯定的是,指向String類的引用被創建瞭。至於這個引用到底是否指向瞭一個新的對象,必須根據上下文來考慮,除非你通過new()方法來顯要地創建一個新的對象。因此,更為準確的說法是,我們創建瞭一個指向String類的對象的引用變量str,這個對象引用變量指向瞭某個值為"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會自動根據棧中數據的實際情況來決定是否有必要創建新對象。而對於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,從而加重瞭程序的負擔。這個思想應該是享元模式的思想,但JDK的內部在這裡實現是否應用瞭這個模式,不得而知。

(3)當比較包裝類裡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)由於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。

 

摘自 chenghai2011的專欄

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