解讀java中的“堆”與“棧”

Java 中的堆和棧 
Java把記憶體劃分成兩種：一種是棧記憶體，一種是堆記憶體。

在函數中定義的一些基本類型的變數和對象的引用變數都在函數的棧記憶體中分配 。

當在一段代碼塊定義一個變數時，Java就在棧中為這個變數分配記憶體空間，當超過變數的範圍後，Java會自動釋放掉為該變數所分配的記憶體空間，該記憶體空間可以立即被另作他用。

   堆記憶體用來存放由 new建立的對象和數組。

   在堆中分配的記憶體，由Java虛擬機器的自動記憶體回收行程來管理。

   在堆中產生了一個數組或對象後，還可以在棧中定義一個特殊的變數，讓棧中這個變數的取值等於數組或對象在堆記憶體中的首地址，棧中的這個變數就成了數組或對象的引用變數。

   引用變數就相當於是為數組或對象起的一個名稱，以後就可以在程式中使用棧中的引用變數來訪問堆中的數組或對象。 
  
具體的說：
棧與堆都是Java用來在Ram中存放資料的地方。與C++不同，Java自動管理棧和堆，程式員不能直接地設定棧或堆。 
      Java的堆是一個運行時資料區,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，它們不需要程式碼來顯式的釋放。堆是由記憶體回收來負責的，堆的優勢是可以動態地分配記憶體大小，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記憶體的，Java的垃圾收集器會自動收走這些不再使用的資料。但缺點是，由於要在運行時動態分配記憶體，存取速度較慢。 
      棧的優勢是，存取速度比堆要快，僅次於寄存器，棧資料可以共用。但缺點是，存在棧中的資料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數（,int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和物件控點。 
      棧有一個很重要的特殊性，就是存在棧中的資料可以共用 。假設我們同時定義： 

int a = 3; int b = 3； 

編譯器先處理int a = 3；首先它會在棧中建立一個變數為a的引用，然後尋找棧中是否有3這個值，如果沒找到，就將3存放進來，然後將a指向3。接著處理int b = 3；在建立完b的引用變數後，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；那麼編譯器會重新搜尋棧中是否有4值，如果沒有，則將4存放進來，並令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。要注意這種資料的共用與兩個對象的引用同時指向一個對象的這種共用是不同的，因為這種情況a的修改並不會影響到b, 它是由編譯器完成的，它有利於節省空間的。而一個對象引用變數修改了這個對象的內部狀態，會影響到另一個對象引用變數。

String是一個特殊的封裝類資料。可以用： 
String str = new String("abc"); 
String str = "abc"; 
兩種的形式來建立，第一種是用new()來建立對象的，它會在存放於堆中。每調用一次就會建立一個新的對象。 
而第二種是先在棧中建立一個對String類的對象引用變數str，然後尋找棧中有沒有存放"abc"，如果沒有，則將"abc"存放進棧，並令str指向”abc”，如果已經有”abc” 則直接令str指向“abc”。

          比較類裡面的數值是否相等時，用equals()方法；當測試兩個封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的方式是產生不同的對象。每一次產生一個 。 
   因此用第二種方式建立多個”abc”字串,在記憶體中其實只存在一個對象而已. 這種寫法有利與節省記憶體空間. 同時它可以在一定程度上提高程式的運行速度，因為JVM會自動根據棧中資料的實際情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，則一概在堆中建立新對象，而不管其字串值是否相等，是否有必要建立新對象，從而加重了程式的負擔。 
   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，建立了String類的對象str。擔心陷阱！對象可能並沒有被建立！而可能只是指向一個先前已經建立的對象。只有通過new()方法才能保證每次都建立一個新的對象。由於String類的immutable性質，當String變數需要經常變換其值時，應該考慮使用StringBuffer類，以提高程式效率。

java中記憶體配置策略及堆和棧的比較 
2.1 記憶體配置策略 
按照編譯原理的觀點,程式運行時的記憶體配置有三種策略,分別是靜態,棧式的,和堆式的. 
靜態儲存分配是指在編譯時間就能確定每個資料目標在運行時刻的儲存空間需求,因而在編譯時間就可以給他們分配固定的記憶體空間.這種分配策略要求程式碼中不允許有可變資料結構(比如可變數組)的存在, 也不允許有嵌套或者遞迴的結構出現,因為它們都會導致編譯器無法計算準確的儲存空間需求. 
棧式儲存分配也可稱為動態儲存裝置分配,是由一個類似於堆棧的運行棧來實現的.和靜態儲存分配相反,在棧式儲存方案中,程式對資料區的需求在編譯時間是完全未知的,只有到啟動並執行時候才能夠知道,但是規定在運行中進入一個程式模組時,必須知道該程式模組所需的資料區大小才能夠為其分配記憶體.和我們在資料結構所熟知的棧一樣,棧式儲存分配按照先進後出的原則進行分配。 
靜態儲存分配要求在編譯時間能知道所有變數的儲存要求,棧式儲存分配要求在過程的入口處必須知道所有的儲存要求,而堆式儲存分配則專門負責在編譯時間或運行時模組入口處都無法確定儲存要求的資料結構的記憶體配置,比如可變長度串和對象執行個體.堆由大片的可利用塊或空閑塊組成,堆中的記憶體可以按照任意順序分配和釋放.

2.2 堆和棧的比較 
上面的定義從編譯原理的教材中總結而來,除靜態儲存分配之外,都顯得很呆板和難以理解,下面撇開靜態儲存分配,集中比較堆和棧: 
從堆和棧的功能和作用來通俗的比較,堆主要用來存放對象的，棧主要是用來執行程式的.而這種不同又主要是由於堆和棧的特點決定的: 
在編程中，例如C/C++中，所有的方法調用都是通過棧來進行的,所有的局部變數,形式參數都是從棧中分配記憶體空間的。實際上也不是什麼分配,只是從棧頂向上用就行,就好像工廠中的傳送帶(conveyor belt)一樣,Stack Pointer會自動指引你到放東西的位置,你所要做的只是把東西放下來就行.退出函數的時候，修改棧指標就可以把棧中的內容銷毀.這樣的模式速度最快, 當然要用來運行程式了.需要注意的是,在分配的時候,比如為一個即將要調用的程式模組分配資料區時,應事Crowdsourced Security Testing道這個資料區的大小,也就說是雖然分配是在程式運行時進行的,但是分配的大小多少是確定的,不變的,而這個"大小多少"是在編譯時間確定的,不是在運行時. 
堆是應用程式在啟動並執行時候請求作業系統分配給自己記憶體，由於從作業系統管理的記憶體配置,所以在分配和銷毀時都要佔用時間，因此用堆的效率非常低.但是堆的優點在於,編譯器不必知道要從堆裡分配多少儲存空間，也不必知道儲存的資料要在堆裡停留多長的時間,因此,用堆儲存資料時會得到更大的靈活性。事實上,物件導向的多態性,堆記憶體配置是必不可少的,因為多態變數所需的儲存空間只有在運行時建立了對象之後才能確定.在C++中，要求建立一個對象時，只需用 new命令編製相關的代碼即可。執行這些代碼時，會在堆裡自動進行資料的儲存.當然，為達到這種靈活性，必然會付出一定的代價:在堆裡分配儲存空間時會花掉更長的時間！這也正是導致我們剛才所說的效率低的原因,看來列寧同志說的好,人的優點往往也是人的缺點,人的缺點往往也是人的優點(暈~).

2.3 JVM中的堆和棧 
JVM是基於堆棧的虛擬機器.JVM為每個新建立的線程都分配一個堆棧.也就是說,對於一個Java程式來說，它的運行就是通過對堆棧的操作來完成的。堆棧以幀為單位儲存線程的狀態。JVM對堆棧只進行兩種操作:以幀為單位的壓棧和出棧操作。 
我們知道,某個線程正在執行的方法稱為此線程的當前方法.我們可能不知道,當前方法使用的幀稱為當前幀。當線程啟用一個Java方法,JVM就會線上程的 Java堆棧裡新壓入一個幀。這個幀自然成為了當前幀.在此方法執行期間,這個幀將用來儲存參數,局部變數,中間計算過程和其他資料.這個幀在這裡和編譯原理中的活動紀錄的概念是差不多的. 
從Java的這種分配機制來看,堆棧又可以這樣理解:堆棧(Stack)是作業系統在建立某個進程時或者線程(在支援多線程的作業系統中是線程)為這個線程建立的儲存地區，該地區具有先進後出的特性。 
每一個Java應用都唯一對應一個JVM執行個體，每一個執行個體唯一對應一個堆。應用程式在運行中所建立的所有類執行個體或數組都放在這個堆中,並由應用所有的線程共用.跟C/C++不同，Java中分配堆記憶體是自動初始化的。Java中所有對象的儲存空間都是在堆中分配的，但是這個對象的引用卻是在堆棧中分配,也就是說在建立一個對象時從兩個地方都分配記憶體，在堆中分配的記憶體實際建立這個對象，而在堆棧中分配的記憶體只是一個指向這個堆對象的指標(引用)而已。

JVM運行時，將記憶體分為堆和棧，堆中存放的是建立的對象，JAVA字串對象記憶體實現時，在堆中開闢了一快很小的記憶體，叫字串常量池，用來存放特定的字串對象。 
關於String對象的建立，兩種方式是不同的，第一種不用new的簡單文法，即 
String s1="JAVA"; 
建立步驟是先看常量池中有沒有與"JAVA"相同的的字串對象，如果有，將s1指向該對象，若沒有，則建立一個新對象，並讓s1指向它。 
第二種是new文法 
String s2="JAVA"; 
這種文法是在堆而不是在常量池中建立對象，並將 s2指向它，然後去字串常量池中看看，是否有與之相同的內容的對象，如果有，則將new出來的字串對象與字串常量池中的對象聯絡起來，如果沒有，則在字串常量池中再建立一個包含該內容的字串對象，並將堆記憶體中的對象與字串常量池中建立出來的對象聯絡起來。 
這就是字串的一次投入，終生回報的記憶體機制，對字串的比較帶來好處。