關(guān)于Java棧與堆的思考

關(guān)于Java棧與堆的思考[@more@]　　1. 棧(stack)與堆(heap)都是Java用來在Ram中存放數(shù)據(jù)的地方。與C++不同，Java自動(dòng)管理?xiàng)：投?，程序員不能直接地設(shè)置?；蚨?。

　　2. 棧的優(yōu)勢(shì)是，存取速度比堆要快，僅次于直接位于CPU中的寄存器。但缺點(diǎn)是，存在棧中的數(shù)據(jù)大小與生存期必須是確定的，缺乏靈活性。另外，棧數(shù)據(jù)可以共享，詳見第3點(diǎn)。堆的優(yōu)勢(shì)是可以動(dòng)態(tài)地分配內(nèi)存大小，生存期也不必事先告訴編譯器，Java的垃圾收集器會(huì)自動(dòng)收走這些不再使用的數(shù)據(jù)。但缺點(diǎn)是，由于要在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，存取速度較慢。

　　3. Java中的數(shù)據(jù)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(注意，并沒有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(dòng)變量。值得注意的是，自動(dòng)變量存的是字面值，不是類的實(shí)例，即不是類的引用，這里并沒有類的存在。如int a = 3; 這里的a是一個(gè)指向int類型的引用，指向3這個(gè)字面值。這些字面值的數(shù)據(jù)，由于大小可知，生存期可知(這些字面值固定定義在某個(gè)程序塊里面，程序塊退出后，字段值就消失了)，出于追求速度的原因，就存在于棧中。
　　另外，棧有一個(gè)很重要的特殊性，就是存在棧中的數(shù)據(jù)可以共享。假設(shè)我們同時(shí)定義

　　int a = 3;
　　int b = 3；

　　編譯器先處理int a = 3；首先它會(huì)在棧中創(chuàng)建一個(gè)變量為a的引用，然后查找有沒有字面值為3的地址，沒找到，就開辟一個(gè)存放3這個(gè)字面值的地址，然后將a指向3的地址。接著處理int b = 3；在創(chuàng)建完b的引用變量后，由于在棧中已經(jīng)有3這個(gè)字面值，便將b直接指向3的地址。這樣，就出現(xiàn)了a與b同時(shí)均指向3的情況。
　　特別注意的是，這種字面值的引用與類對(duì)象的引用不同。假定兩個(gè)類對(duì)象的引用同時(shí)指向一個(gè)對(duì)象，如果一個(gè)對(duì)象引用變量修改了這個(gè)對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)，那么另一個(gè)對(duì)象引用變量也即刻反映出這個(gè)變化。相反，通過字面值的引用來修改其值，不會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)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的值后，再令a=4；那么，b不會(huì)等于4，還是等于3。在編譯器內(nèi)部，遇到a=4；時(shí)，它就會(huì)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(jīng)有了，則直接將a指向這個(gè)地址。因此a值的改變不會(huì)影響到b的值。
　　另一種是包裝類數(shù)據(jù)，如Integer, String, Double等將相應(yīng)的基本數(shù)據(jù)類型包裝起來的類。這些類數(shù)據(jù)全部存在于堆中，Java用new()語句來顯示地告訴編譯器，在運(yùn)行時(shí)才根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)創(chuàng)建，因此比較靈活，但缺點(diǎn)是要占用更多的時(shí)間。

　　4. String是一個(gè)特殊的包裝類數(shù)據(jù)。即可以用String str = new String("abc");的形式來創(chuàng)建，也可以用String str = "abc"；的形式來創(chuàng)建(作為對(duì)比，在JDK 5.0之前，你從未見過Integer i = 3;的表達(dá)式，因?yàn)轭惻c字面值是不能通用的，除了String。而在JDK 5.0中，這種表達(dá)式是可以的！因?yàn)榫幾g器在后臺(tái)進(jìn)行Integer i = new Integer(3)的轉(zhuǎn)換)。前者是規(guī)范的類的創(chuàng)建過程，即在Java中，一切都是對(duì)象，而對(duì)象是類的實(shí)例，全部通過new()的形式來創(chuàng)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(gè)新創(chuàng)建的類，似乎違反了此原則。其實(shí)不然。該類運(yùn)用了單例模式來返回類的實(shí)例，只不過這個(gè)實(shí)例是在該類內(nèi)部通過new()來創(chuàng)建的，而getInstance()向外部隱藏了此細(xì)節(jié)。那為什么在String str = "abc"；中，并沒有通過new()來創(chuàng)建實(shí)例，是不是違反了上述原則？其實(shí)沒有。

　　5. 關(guān)于String str = "abc"的內(nèi)部工作。Java內(nèi)部將此語句轉(zhuǎn)化為以下幾個(gè)步驟：
　　(1)先定義一個(gè)名為str的對(duì)String類的對(duì)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(gè)存放字面值為"abc"的地址，接著創(chuàng)建一個(gè)新的String類的對(duì)象o，并將o 的字符串值指向這個(gè)地址，而且在棧中這個(gè)地址旁邊記下這個(gè)引用的對(duì)象o。如果已經(jīng)有了值為"abc"的地址，則查找對(duì)象o，并返回o的地址。
　　(3)將str指向?qū)ο髈的地址。
　　值得注意的是，一般String類中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；這種場(chǎng)合下，其字符串值卻是保存了一個(gè)指向存在棧中數(shù)據(jù)的引用！
　　
　　為了更好地說明這個(gè)問題，我們可以通過以下的幾個(gè)代碼進(jìn)行驗(yàn)證。

　　String str1 = "abc";
　　String str2 = "abc";
　　System.out.println(str1==str2); //true
　　
　　注意，我們這里并不用str1.equals(str2)；的方式，因?yàn)檫@將比較兩個(gè)字符串的值是否相等。==號(hào)，根據(jù)JDK的說明，只有在兩個(gè)引用都指向了同一個(gè)對(duì)象時(shí)才返回真值。而我們?cè)谶@里要看的是，str1與str2是否都指向了同一個(gè)對(duì)象。
　　結(jié)果說明，JVM創(chuàng)建了兩個(gè)引用str1和str2，但只創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象，而且兩個(gè)引用都指向了這個(gè)對(duì)象。

　　我們?cè)賮砀M(jìn)一步，將以上代碼改成：

　　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(dǎo)致了類對(duì)象引用的變化，str1指向了另外一個(gè)新對(duì)象！而str2仍舊指向原來的對(duì)象。上例中，當(dāng)我們將str1的值改為"bcd"時(shí)，JVM發(fā)現(xiàn)在棧中沒有存放該值的地址，便開辟了這個(gè)地址，并創(chuàng)建了一個(gè)新的對(duì)象，其字符串的值指向這個(gè)地址。
　　事實(shí)上，String類被設(shè)計(jì)成為不可改變(immutable)的類。如果你要改變其值，可以，但JVM在運(yùn)行時(shí)根據(jù)新值悄悄創(chuàng)建了一個(gè)新對(duì)象，然后將這個(gè)對(duì)象的地址返回給原來類的引用。這個(gè)創(chuàng)建過程雖說是完全自動(dòng)進(jìn)行的，但它畢竟占用了更多的時(shí)間。在對(duì)時(shí)間要求比較敏感的環(huán)境中，會(huì)帶有一定的不良影響。

　　再修改原來代碼：

　　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(gè)對(duì)象的引用直接指向str1所指向的對(duì)象(注意，str3并沒有創(chuàng)建新對(duì)象)。當(dāng)str1改完其值后，再創(chuàng)建一個(gè)String的引用str4，并指向因str1修改值而創(chuàng)建的新的對(duì)象?？梢园l(fā)現(xiàn)，這回str4也沒有創(chuàng)建新的對(duì)象，從而再次實(shí)現(xiàn)棧中數(shù)據(jù)的共享。

　　我們?cè)俳又匆韵碌拇a。

　　String str1 = new String("abc");
　　String str2 = "abc";
　　System.out.println(str1==str2); //false

　　創(chuàng)建了兩個(gè)引用。創(chuàng)建了兩個(gè)對(duì)象。兩個(gè)引用分別指向不同的兩個(gè)對(duì)象。

　　String str1 = "abc";
　　String str2 = new String("abc");
　　System.out.println(str1==str2); //false

　　創(chuàng)建了兩個(gè)引用。創(chuàng)建了兩個(gè)對(duì)象。兩個(gè)引用分別指向不同的兩個(gè)對(duì)象。

　　以上兩段代碼說明，只要是用new()來新建對(duì)象的，都會(huì)在堆中創(chuàng)建，而且其字符串是單獨(dú)存值的，即使與棧中的數(shù)據(jù)相同，也不會(huì)與棧中的數(shù)據(jù)共享。

　　6. 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)類型包裝類都不能更改其內(nèi)部的值。

　　7. 結(jié)論與建議：

　　(1)我們?cè)谑褂弥T如String str = "abc"；的格式定義類時(shí)，總是想當(dāng)然地認(rèn)為，我們創(chuàng)建了String類的對(duì)象str。擔(dān)心陷阱！對(duì)象可能并沒有被創(chuàng)建！唯一可以肯定的是，指向 String類的引用被創(chuàng)建了。至于這個(gè)引用到底是否指向了一個(gè)新的對(duì)象，必須根據(jù)上下文來考慮，除非你通過new()方法來顯要地創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象。因此，更為準(zhǔn)確的說法是，我們創(chuàng)建了一個(gè)指向String類的對(duì)象的引用變量str，這個(gè)對(duì)象引用變量指向了某個(gè)值為"abc"的String類。清醒地認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)對(duì)排除程序中難以發(fā)現(xiàn)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(yùn)行速度，因?yàn)镴VM會(huì)自動(dòng)根據(jù)棧中數(shù)據(jù)的實(shí)際情況來決定是否有必要?jiǎng)?chuàng)建新對(duì)象。而對(duì)于String str = new String("abc")；的代碼，則一概在堆中創(chuàng)建新對(duì)象，而不管其字符串值是否相等，是否有必要?jiǎng)?chuàng)建新對(duì)象，從而加重了程序的負(fù)擔(dān)。這個(gè)思想應(yīng)該是享元模式的思想，但JDK的內(nèi)部在這里實(shí)現(xiàn)是否應(yīng)用了這個(gè)模式，不得而知。

　　(3)當(dāng)比較包裝類里面的數(shù)值是否相等時(shí)，用equals()方法；當(dāng)測(cè)試兩個(gè)包裝類的引用是否指向同一個(gè)對(duì)象時(shí)，用==。

　　(4)由于String類的immutable性質(zhì)，當(dāng)String變量需要經(jīng)常變換其值時(shí)，應(yīng)該考慮使用StringBuffer類，以提高程序效率。