Java 栈(stack)与堆(heap) 详解

Java 栈(stack)与堆(heap)
1.概念
    栈(stack)与堆(heap)都是Java用来在Ram中存放数据的地方。与C++不一样，Java自动管理栈和堆，程序员不能直接地设置栈或堆。
栈,堆的数据结构
    栈就像装数据的桶或箱子
      它是一种具备后进先出性质的数据结构，也就是说后存放的先取，先存放的后取。
      这就如同咱们要取出放在箱子里面底下的东西（放入的比较早的物体），咱们首先要移开压在它上面的物体（放入的比较晚的物体）。
    堆像一棵倒过来的树
      而堆就不一样了，堆是一种通过排序的树形数据结构，每一个结点都有一个值。一般咱们所说的堆的数据结构，是指二叉堆。
      堆的特色是根结点的值最小（或最大），且根结点的两个子树也是一个堆。
      因为堆的这个特性，经常使用来实现优先队列，堆的存取是随意，这就如同咱们在图书馆的书架上取书，虽然书的摆放是有顺序的，可是咱们想取任意一本时没必要像栈同样，先取出前面全部的书，书架这种机制不一样于箱子，咱们能够直接取出咱们想要的书。
栈:在函数中定义的一些基本类型的变量和对象的引用变量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，当超过变量的做用域后，java会自动释放掉为该变量分配的内存空间，该内存空间能够马上被另做他用。
堆:堆内存用于存放由new建立的对象和数组。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，还能够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，之后就能够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，引用变量至关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做用域外释放。而数组＆对象自己在堆中分配，即便程序运行到使用new产生数组和对象的语句所在地代码块以外，数组和对象自己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，可是仍然占着内存，在随后的一个不肯定的时间被垃圾回收器释放掉。这个也是java比较占内存的主要缘由，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!
2.优缺点
栈的优点是存取速度比堆要快，仅次于直接位于CPU中的寄存器。但缺点是，存在栈中的数据大小与生存期必须是肯定的，缺少灵活性。另外，栈数据能够共享。
堆的优点是能够动态地分配内存大小，生存期也没必要事先告诉编译器，Java的垃圾收集器会自动收走这些再也不使用的数据。但缺点是，因为要在运行时动态分配内存，存取速度较慢。
3.具体实例
基本类型(primitive types), 共有8种，即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意，并无string的基本类型)。这种类型的定义是经过诸如int a = 3; long b = 255L;的形式来定义的，称为自动变量。值得注意的是，自动变量存的是字面值，不是类的实例，即不是类的引用，这里并无类的存在。如int a = 3; 这里的a是一个指向int类型的引用，指向3这个字面值。这些字面值的数据，因为大小可知，生存期可知(这些字面值固定定义在某个程序块里面，程序块退出后，字段值就消失了)，出于追求速度的缘由，就存在于栈中。
栈有一个很重要的特殊性，就是存在栈中的数据能够共享:
eg:
int a = 3;
int b = 3；
编译器先处理int a = 3；首先它会在栈中建立一个变量为a的引用，而后查找有没有字面值为3的地址，没找到，就开辟一个存放3这个字面值的地址，而后将a指向3的地址。接着处理int b = 3；在建立完b的引用变量后，因为在栈中已经有3这个字面值，便将b直接指向3的地址。这样，就出现了a与b同时均指向3的状况。
特别注意的是，这种字面值的引用与类对象的引用不一样。假定两个类对象的引用同时指向一个对象，若是一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态，那么另外一个对象引用变量也即刻反映出这个变化。相反，经过字面值的引用来修改其值，不会致使另外一个指向此字面值的引用的值也跟着改变的状况。如上例，咱们定义完a与b的值后，再令a=4；那么，b不会等于4，仍是等于3。在编译器内部，遇到a=4；时，它就会从新搜索栈中是否有4的字面值，若是没有，从新开辟地址存放4的值；若是已经有了，则直接将a指向这个地址。所以a值的改变不会影响到b的值。

另外一种是包装类数据，如Integer, String, Double等将相应的基本数据类型包装起来的类。这些类数据所有存在于堆中，Java用new()语句来显示地告诉编译器，在运行时才根据须要动态建立，所以比较灵活，但缺点是要占用更多的时间。 4. String是一个特殊的包装类数据。便可以用String str = new String("abc");的形式来建立，也能够用String str = "abc"；的形式来建立(做为对比，在JDK 5.0以前，你从未见过Integer i = 3;的表达式，由于类与字面值是不能通用的，除了String。而在JDK 5.0中，这种表达式是能够的！由于编译器在后台进行Integer i = new Integer(3)的转换)。前者是规范的类的建立过程，即在Java中，一切都是对象，而对象是类的实例，所有经过new()的形式来建立。Java中的有些类，如DateFormat类，能够经过该类的getInstance()方法来返回一个新建立的类，彷佛违反了此原则。其实否则。该类运用了单例模式来返回类的实例，只不过这个实例是在该类内部经过new()来建立的，而getInstance()向外部隐藏了此细节。那为何在String str = "abc"；中，并无经过new()来建立实例，是否是违反了上述原则？其实没有。

5. 关于String str = "abc"的内部工做。Java内部将此语句转化为如下几个步骤：

(1)先定义一个名为str的对String类的对象引用变量：String str；

(2)在栈中查找有没有存放值为"abc"的地址，若是没有，则开辟一个存放字面值为"abc"的地址，接着建立一个新的String类的对象o，并将o的字符串值指向这个地址，并且在栈中这个地址旁边记下这个引用的对象o。若是已经有了值为"abc"的地址，则查找对象o，并返回o的地址。

(3)将str指向对象o的地址。

值得注意的是，通常String类中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；这种场合下，其字符串值倒是保存了一个指向存在栈中数据的引用！

为了更好地说明这个问题，咱们能够经过如下的几个代码进行验证。
复制内容到剪贴板代码:
String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //true
注意，咱们这里并不用str1.equals(str2)；的方式，由于这将比较两个字符串的值是否相等。==号，根据JDK的说明，只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。而咱们在这里要看的是，str1与str2是否都指向了同一个对象。
结果说明，JVM建立了两个引用str1和str2，但只建立了一个对象，并且两个引用都指向了这个对象。

咱们再来更进一步，将以上代码改为：
复制内容到剪贴板代码:
String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
str1 = "bcd";
System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc
System.out.println(str1==str2); //false
这就是说，赋值的变化致使了类对象引用的变化，str1指向了另一个新对象！而str2仍旧指向原来的对象。上例中，当咱们将str1的值改成"bcd"时，JVM发如今栈中没有存放该值的地址，便开辟了这个地址，并建立了一个新的对象，其字符串的值指向这个地址。

事实上，String类被设计成为不可改变(immutable)的类。若是你要改变其值，能够，但JVM在运行时根据新值悄悄建立了一个新对象，而后将这个对象的地址返回给原来类的引用。这个建立过程虽然说是彻底自动进行的，但它毕竟占用了更多的时间。在对时间要求比较敏感的环境中，会带有必定的不良影响。

再修改原来代码：
复制内容到剪贴板代码:
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这个对象的引用直接指向str1所指向的对象(注意，str3并无建立新对象)。当str1改完其值后，再建立一个String的引用str4，并指向因str1修改值而建立的新的对象。能够发现，这回str4也没有建立新的对象，从而再次实现栈中数据的共享。

咱们再接着看如下的代码。
复制内容到剪贴板代码:
String str1 = new String("abc");
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //false 建立了两个引用。建立了两个对象。两个引用分别指向不一样的两个对象。

String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
System.out.println(str1==str2); //false
建立了两个引用。建立了两个对象。两个引用分别指向不一样的两个对象。

以上两段代码说明，只要是用new()来新建对象的，都会在堆中建立，并且其字符串是单独存值的，即便与栈中的数据相同，也不会与栈中的数据共享。

6. 数据类型包装类的值不可修改。不只仅是String类的值不可修改，全部的数据类型包装类都不能更改其内部的值。 7. 结论与建议：

(1)咱们在使用诸如String str = "abc"；的格式定义类时，老是想固然地认为，咱们建立了String类的对象str。担忧陷阱！对象可能并无被建立！惟一能够确定的是，指向String类的引用被建立了。至于这个引用究竟是否指向了一个新的对象，必须根据上下文来考虑，除非你经过new()方法来显要地建立一个新的对象。所以，更为准确的说法是，咱们建立了一个指向String类的对象的引用变量str，这个对象引用变量指向了某个值为"abc"的String类。清醒地认识到这一点对排除程序中难以发现的bug是颇有帮助的。

(2)使用String str = "abc"；的方式，能够在必定程度上提升程序的运行速度，由于JVM会自动根据栈中数据的实际状况来决定是否有必要建立新对象。而对于String str = new String("abc")；的代码，则一律在堆中建立新对象，而无论其字符串值是否相等，是否有必要建立新对象，从而加剧了程序的负担。这个思想应该是享元模式的思想，但JDK的内部在这里实现是否应用了这个模式，不得而知。

(3)当比较包装类里面的数值是否相等时，用equals()方法；当测试两个包装类的引用是否指向同一个对象时，用==。

(4)因为String类的immutable性质，当String变量须要常常变换其值时，应该考虑使用StringBuffer类，以提升程序效率。