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深刻理解Java中的堆和棧

編輯：關於JAVA

　棧與堆都是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。

　　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，由於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，僅次於寄存器，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(,int, short, long, byte, float, double, boolean, char)和對象句柄。

　　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，然後查找棧中是否有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;在創建完b的引用變量後，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索棧中是否有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的修改並不會影響到b, 它是由編譯器完成的，它有利於節省空間。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，它會在存放於堆中。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，然後查找棧中有沒有存放"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。

　　因此用第一種方式創建多個”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!對象可能並沒有被創建!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。

　　申請後系統的響應

　　棧：只要棧的剩余空間大於所申請空間，系統將為程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。

　　堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序，另外，對於大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。另外，由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多余的那部分重新放入空閒鏈表中。

　　申請大小的限制

　　棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在Windows下，棧的大小是2M(也可能是1M，它是一個編譯時就確定的常數)，如果申請的空間超過棧的剩余空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。

　　堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

　　申請效率的比較：

　　棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。

　　堆是由new分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便.

　　另外，在Windows下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也不是在棧是直接在進程的地址空間中保留一快內存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。

　　堆和棧中的存儲內容

　　棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中後的下一條指令(函數調用語句的下一條可執行語句)的地址，然後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。

　　當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，然後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。

　　堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

　　存取效率的比較

　　char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

　　char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";