Java中内存中的Heap、Stack与程序运行的关系详解编程语言

堆和栈的内存管理

栈的内存管理是顺序分配的，而且定长，不存在内存回收问题；而堆 则是随机分配内存，不定长度，存在内存分配和回收的问题；
堆内存和栈内存的区别可以用如下的比喻来看出：使用堆内存就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。使用栈内存就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。操作系统中所说的堆内存和栈内存，在操作上有上述的特点，这里的堆内存实际上指的就是（满足堆内存性质的）优先队列的一种数据结构，第1个元素有最高的优先权；栈内存实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。

在Java中堆是Java虚拟机JVM的内存数据区。Heap 的管理很复杂，每次分配不定长的内存空间，专门用来保存对象的实例(new 创建的对象和数组)。在Heap 中分配一定的内存来保存对象实例，实际上也只是保存对象实例的属性值，属性的类型和对象本身的类型标记等，并不保存对象的方法（方法是指令，保存在Stack中），在Heap 中分配一定的内存保存对象实例和对象的序列化比较类似。而对象实例在Heap 中分配好以后，需要在Stack中保存一个4字节的Heap内存地址，用来定位该对象实例在Heap 中的位置，便于找到该对象实例。

数据类型

Java虚拟机中，数据类型可以分为两类：基本类型和引用类型。基本类型的变量保存原始值，即：他代表的值就是数值本身；而引用类型的变量保存引用值。“引用值”代表了某个对象的引用，而不是对象本身，对象本身存放在这个引用值所表示的地址的位置。
基本类型包括：byte,short,int,long,char,float,double,Boolean,returnAddress
引用类型包括：类类型，接口类型和数组。

Java数据类型的关系如下图所示：

对象句柄：如String s = “asdf”; 初始化后的句柄。以及String s; 未初始化的句柄。

在函数中定义的一些基本类型的变量和对象的引用变量（对象句柄）都是在函数的栈内存中分配。当在一段代码块中定义一个变量时，java就在栈中为这个变量分配内存空间，当超过变量的作用域后，java会自动释放掉为该变量分配的内存空间，该内存空间可以立刻被另作他用。

     堆内存用于存放由new创建的对象和数组。在堆中分配的内存，由java虚拟机自动垃圾回收器来管理。在堆中产生了一个数组或者对象后，还可以在栈中定义一个特殊的变量，这个变量的取值等于数组或者对象在堆内存中的首地址，在栈中的这个特殊的变量就变成了数组或者对象的引用变量，以后就可以在程序中使用栈内存中的引用变量来访问堆中的数组或者对象，引用变量相当于为数组或者对象起的一个别名，或者代号。

     引用变量是普通变量，定义时在栈中分配内存，引用变量在程序运行到作用域外释放。而数组＆对象本身在堆中分配，即使程序运行到使用new产生数组和对象的语句所在地代码块之外，数组和对象本身占用的堆内存也不会被释放，数组和对象在没有引用变量指向它的时候，才变成垃圾，不能再被使用，但是仍然占着内存，在随后的一个不确定的时间被垃圾回收器释放掉。这个也是java比较占内存的主要原因，实际上，栈中的变量指向堆内存中的变量，这就是 Java 中的指针!

      Java中所有对象的存储空间都是在堆中分配的，但是这个对象的引用却是在栈中分配,也就是说在建立一个对象时从两个地方都分配内存，在堆中分配的内存实际建立这个对象，而在栈中分配的内存只是一个指向这个堆对象的指针(引用)而已。

堆和栈

堆和栈是程序运行的关键，应该将其理解清楚。

栈是运行时的单位，而堆是存储时的单位。

 栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据；堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。
在Java中一个线程就会相应有一个线程栈与之对应，这点很容易理解，因为不同的线程执行逻辑有所不同，因此需要一个独立的线程栈。而堆则是所有线程共享的。栈因为是运行单位，因此里面存储的信息都是跟当前线程（或程序）相关信息的。包括局部变量、程序运行状态、方法返回值等等；而堆只负责存储对象信息。

为什么要把堆和栈区分出来呢？栈中不是也可以存储数据吗？

第一，从软件设计的角度看，栈代表了处理逻辑，而堆代表了数据。这样分开，使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。
第二，堆与栈的分离，使得堆中的内容可以被多个栈共享（也可以理解为多个线程访问同一个对象）。这种共享的收益是很多的。一方面这种共享提供了一种有效的数据交互方式(如：共享内存)，另一方面，堆中的共享常量和缓存可以被所有栈访问，节省了空间。
第三，栈因为运行时的需要，比如保存系统运行的上下文，需要进行地址段的划分。由于栈只能向上增长，因此就会限制住栈存储内容的能力。而堆不同，堆中的对象是可以根据需要动态增长的，因此栈和堆的拆分，使得动态增长成为可能，相应栈中只需记录堆中的一个地址即可。
第四，面向对象就是堆和栈的完美结合。其实，面向对象方式的程序与以前结构化的程序在执行上没有任何区别。但是，面向对象的引入，使得对待问题的思考方式发生了改变，而更接近于自然方式的思考。当我们把对象拆开，你会发现，对象的属性其实就是数据，存放在堆中；而对象的行为（方法），就是运行逻辑，放在栈中。我们在编写对象的时候，其实即编写了数据结构，也编写的处理数据的逻辑。不得不承认，面向对象的设计，确实很美。

在Java中，Main函数就是栈的起始点，也是程序的起始点。

  程序要运行总是有一个起点的。同C语言一样，java中的Main就是那个起点。无论什么java程序，找到main就找到了程序执行的入口。

堆中存什么？栈中存什么？

堆中存的是对象。栈中存的是基本数据类型和堆中对象的引用。一个对象的大小是不可估计的，或者说是可以动态变化的，但是在栈中，一个对象只对应了一个4btye的引用（堆栈分离的好处）。
为什么不把基本类型放堆中呢？因为其占用的空间一般是1~8个字节——需要空间比较少，而且因为是基本类型，所以不会出现动态增长的情况——长度固定，因此栈中存储就够了，如果把他存在堆中是没有什么意义的（还会浪费空间，后面说明）。可以这么说，基本类型和对象的引用都是存放在栈中，而且都是几个字节的一个数，因此在程序运行时，他们的处理方式是统一的。但是基本类型、对象引用和对象本身就有所区别了，因为一个是栈中的数据一个是堆中的数据。最常见的一个问题就是，Java中参数传递时的问题。

Java中的参数传递时传值呢？还是传引用？

要说明这个问题，先要明确两点：
1.不要试图与C进行类比，Java中没有指针的概念
2.程序运行永远都是在栈中进行的，因而参数传递时，只存在传递基本类型和对象引用的问题。不会直接传对象本身。

    明确以上两点后。Java在方法调用传递参数时，因为没有指针，所以它都是进行传值调用（这点可以参考C的传值调用）。因此，很多书里面都说Java是进行传值调用，这点没有问题，而且也简化的C中复杂性。

      但是传引用的错觉是如何造成的呢？在运行栈中，基本类型和引用的处理是一样的，都是传值，所以，如果是传引用的方法调用，也同时可以理解为“传引用值”的传值调用，即引用的处理跟基本类型是完全一样的。但是当进入被调用方法时，被传递的这个引用的值，被程序解释（或者查找）到堆中的对象，这个时候才对应到真正的对象。如果此时进行修改，修改的是引用对应的对象，而不是引用本身，即：修改的是堆中的数据。所以这个修改是可以保持的了。
      对象，从某种意义上说，是由基本类型组成的。可以把一个对象看作为一棵树，对象的属性如果还是对象，则还是一颗树（即非叶子节点），基本类型则为树的叶子节点。程序参数传递时，被传递的值本身都是不能进行修改的，但是，如果这个值是一个非叶子节点（即一个对象引用），则可以修改这个节点下面的所有内容。 
      堆和栈中，栈是程序运行最根本的东西。程序运行可以没有堆，但是不能没有栈。而堆是为栈进行数据存储服务，说白了堆就是一块共享的内存。不过，正是因为堆和栈的分离的思想，才使得Java的垃圾回收成为可能。
       Java中，栈的大小通过-Xss来设置，当栈中存储数据比较多时，需要适当调大这个值，否则会出现java.lang.StackOverflowError异常。常见的出现这个异常的是无法返回的递归，因为此时栈中保存的信息都是方法返回的记录点。

Java对象的大小

基本数据的类型的大小是固定的，这里就不多说了。对于非基本类型的Java对象，其大小就值得商榷。
在Java中，一个空Object对象的大小是8byte，这个大小只是保存堆中一个没有任何属性的对象的大小。看下面语句：
Object ob = new Object();
这样在程序中完成了一个Java对象的生命，但是它所占的空间为：4byte+8byte。4byte是上面部分所说的Java栈中保存引用的所需要的空间。而那8byte则是Java堆中对象的信息。因为所有的Java非基本类型的对象都需要默认继承Object对象，因此不论什么样的Java对象，其大小都必须是大于8byte。
有了Object对象的大小，我们就可以计算其他对象的大小了。
Class NewObject {
int count;
boolean flag;
Object ob;
}
其大小为：空对象大小(8byte)+int大小(4byte)+Boolean大小(1byte)+空Object引用的大小(4byte)=17byte。但是因为Java在对对象内存分配时都是以8的整数倍来分，因此大于17byte的最接近8的整数倍的是24，因此此对象的大小为24byte。

常量池技术详解

   1) java中基本类型的包装类的大部分都实现了常量池技术，这些类是Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean,另外两种浮点数类型的包装类则没有实现。

   2) Byte,Short,Integer,Long,Character这5种整型的包装类也只是在对应值小于等于127时才可使用对象池

   下面我们主要使用Long类型来进行讲解吧。

　首先我们先写一个测试类：

　LongTypeTest.java

package Test; 
 
public class LongTypeTest { 
     
    public static void main(String[] args) { 
        long longParam = 50L; 
        Long longParam2 = 50L; 
    } 
}

View Code

我们通过javac命令编译后，用DJ Java Decompiler打开，选择View->Bytecode View，得到如下：

注意：反编译后也可以用命令javap -c LongTypeTest > LongTypeTest.bc，在CMD下用type LongTypeTest.bc查看也可以。

 1 // Decompiled by DJ v3.12.12.96 Copyright 2011 Atanas Neshkov  Date: 2013/9/15 17:06:18 
 2 // Home Page: http://members.fortunecity.com/neshkov/dj.html  http://www.neshkov.com/dj.html - Check often for new version! 
 3 // Decompiler options: packimports(3) disassembler  
 4 // Source File Name:   LongTypeTest.java 
 5  
 6 package Test; 
 7  
 8  
 9 public class LongTypeTest 
10 { 
11  
12     public LongTypeTest() 
13     { 
14     //    0    0:aload_0          
15     //    1    1:invokespecial   #8   <Method void Object()> 
16     //    2    4:return           
17     } 
18  
19     public static void main(String args[]) 
20     { 
21     //    0    0:ldc2w           #16  <Long 50L> 
22     //    1    3:lstore_1         
23     //    2    4:ldc2w           #16  <Long 50L> 
24     //    3    7:invokestatic    #18  <Method Long Long.valueOf(long)> 
25     //    4   10:astore_3         
26     //    5   11:return           
27     } 
28 }

View Code

 从第24行，我们可以看到，使用包装类初始化的时候，调用的是Long类中的valueOf方法，下面我们看看，Long类中的该方法是怎样的。

1 public static Long valueOf(long l) { 
2         final int offset = 128; 
3         //当 l >= -128 && l <= 127 时，返回常量池中缓存的数据 
4         if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache 
5             return LongCache.cache[(int)l + offset]; 
6         } 
7         //否则初始化一个新的Long对象 
8         return new Long(l); 
9     }

View Code

从代码中看出，当 l 的值小于127的时候，将会调用LongCache.cache()中获取常量池中的数值。其中，LongCache是一个内部类

 1 //Long类中的私有类 
 2     private static class LongCache { 
 3     //私有的构造方法，不允许初始化 
 4         private LongCache(){} 
 5     //static final类型，它的值在编译期间将会确定下来并且被存储到常量池中 
 6         static final Long cache[] = new Long[-(-128) + 127 + 1]; 
 7     //静态代码块，为cache数组赋值 
 8         static { 
 9             for(int i = 0; i < cache.length; i++) 
10                 cache[i] = new Long(i - 128); 
11         } 
12     }

View Code

其他Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean都是差不多的，具体就不在此重复讲了。

我们在Double中的valueOf中我们可以看到源代码是这样子的：

1  public static Double valueOf(double d) { 
2      //直接初始化并返回一个Double对象 
3      return new Double(d); 
4  }

View Code

 Float亦是如此。

这里需要注意一下基本类型的包装类型的大小。因为这种包装类型已经成为对象了，因此需要把他们作为对象来看待。包装类型的大小至少是12byte（声明一个空Object至少需要的空间），而且12byte没有包含任何有效信息，同时，因为Java对象大小是8的整数倍，因此一个基本类型包装类的大小至少是16byte。这个内存占用是很恐怖的，它是使用基本类型的N倍（N>2），有些类型的内存占用更是夸张（随便想下就知道了）。因此，可能的话应尽量少使用包装类。在JDK5.0以后，因为加入了自动类型装换，因此，Java虚拟机会在存储方面进行相应的优化。

    //int类型会自动转换为Integer类型 
    int m = 12； 
    Integer in = m； 
    //Integer类型会自动转换为int类型 
    int n = in；

引用类型

对象引用类型分为强引用、软引用、弱引用和虚引用。
强引用:就是我们一般声明对象是时虚拟机生成的引用，强引用环境下，垃圾回收时需要严格判断当前对象是否被强引用，如果被强引用，则不会被垃圾回收
软引用:软引用一般被做为缓存来使用。与强引用的区别是，软引用在垃圾回收时，虚拟机会根据当前系统的剩余内存来决定是否对软引用进行回收。如果剩余内存比较紧张，则虚拟机会回收软引用所引用的空间；如果剩余内存相对富裕，则不会进行回收。换句话说，虚拟机在发生OutOfMemory时，肯定是没有软引用存在的。
弱引用:弱引用与软引用类似，都是作为缓存来使用。但与软引用不同，弱引用在进行垃圾回收时，是一定会被回收掉的，因此其生命周期只存在于一个垃圾回收周期内。
强引用不用说，我们系统一般在使用时都是用的强引用。而“软引用”和“弱引用”比较少见。他们一般被作为缓存使用，而且一般是在内存大小比较受限的情况下做为缓存。因为如果内存足够大的话，可以直接使用强引用作为缓存即可，同时可控性更高。因而，他们常见的是被使用在桌面应用系统的缓存。