Java虛擬機(jī)堆和棧詳細(xì)解析，以后面試再也不怕問jvm了！

堆

Java堆是和Java應(yīng)用程序關(guān)系最密切的內(nèi)存空間，幾乎所有的對(duì)象都放在其中，并且Java堆完全是自動(dòng)化管理，通過垃圾收集機(jī)制，垃圾對(duì)象會(huì)自動(dòng)清理，不需自己去釋放。

根據(jù)垃圾回收機(jī)制的不同，Java堆有可能擁有不同的結(jié)構(gòu)，最為常見的就是將整個(gè)Java堆分為新生代(Young Gen)和老年代(Tenured Gen)。其中新生代存放新生的對(duì)象或者年齡不大的對(duì)象，老年代則存放老年對(duì)象。

新生代分為edn區(qū)，s0區(qū)，s1區(qū)，s0和s1也被稱為from和to區(qū)域，他們是兩塊大小相等，并且可以互相轉(zhuǎn)換的空間。

絕大多數(shù)情況下，對(duì)象首先分配在edn區(qū)，在新生代回收后，如果對(duì)象還存活，則進(jìn)入s0或s1區(qū)，之后每經(jīng)過一次新生代回收，如果對(duì)象存活則他的年齡就加1，對(duì)象達(dá)到一定的年齡后，則進(jìn)入老年代。

舉例：A a=new A()；首先把對(duì)象存放到堆內(nèi)存當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)這個(gè)A只用了一次，首先會(huì)進(jìn)入新生代里邊去，存放到edn區(qū)域里面，因?yàn)镴ava堆自動(dòng)化管理，垃圾收集機(jī)制，發(fā)現(xiàn)這個(gè)a只用了一次，如果a又被一段代碼引用，垃圾回收機(jī)制有算法，每引用一次記錄一次，就會(huì)馬上進(jìn)入到s0或者是s1區(qū)域，一旦a這個(gè)對(duì)象引用次數(shù)非常多了，就會(huì)存放到老年代里去。

棧

Java棧是一塊線程私有的空間，一個(gè)棧，一般由三部分組成:局部變量表、操作數(shù)據(jù)棧和幀數(shù)據(jù)區(qū)。

局部變量表：用于報(bào)錯(cuò)函數(shù)的參數(shù)及局部變量

操作數(shù)棧：主要保存計(jì)算過程的中間結(jié)果，同時(shí)作為計(jì)算過程中的變量臨時(shí)的存儲(chǔ)空間。

幀數(shù)據(jù)區(qū):除了局部變量表和操作數(shù)據(jù)棧以外，棧還需要一些數(shù)據(jù)來支持常量池的解析，這里幀數(shù)據(jù)區(qū)保存著訪問常量池的指針，方便計(jì)程序訪問常量池，另外當(dāng)函數(shù)返回或出現(xiàn)異常時(shí)賣虛擬機(jī)子必須有一個(gè)異常處理表，方便發(fā)送異常的時(shí)候找到異常的代碼，因此異常處理表也是幀數(shù)據(jù)區(qū)的一部分。

Java內(nèi)存分配原理

棧、堆、常量池雖同屬Java內(nèi)存分配時(shí)操作的區(qū)域，但其適用范圍和功用卻大不相同。

一般Java在內(nèi)存分配時(shí)會(huì)涉及到以下區(qū)域：

◆寄存器：我們?cè)诔绦蛑袩o法控制

◆棧：存放基本類型的數(shù)據(jù)和對(duì)象的引用，但對(duì)象本身不存放在棧中，而是存放在堆中

◆堆：存放用new產(chǎn)生的數(shù)據(jù)

◆靜態(tài)域：存放在對(duì)象中用static定義的靜態(tài)成員

◆常量池：存放常量

◆非RAM存儲(chǔ)：硬盤等永久存儲(chǔ)空間

Java內(nèi)存分配中的棧

在函數(shù)中定義的一些基本類型的變量數(shù)據(jù)和對(duì)象的引用變量都在函數(shù)的棧內(nèi)存中分配。

當(dāng)在一段代碼塊定義一個(gè)變量時(shí)，Java就在棧中 為這個(gè)變量分配內(nèi)存空間，當(dāng)該變量退出該作用域后，Java會(huì)自動(dòng)釋放掉為該變量所分配的內(nèi)存空間，該內(nèi)存空間可以立即被另作他用。

Java內(nèi)存分配中的堆

堆內(nèi)存用來存放由new創(chuàng)建的對(duì)象和數(shù)組。 在堆中分配的內(nèi)存，由Java虛擬機(jī)的自動(dòng)垃圾回收器來管理。

在堆中產(chǎn)生了一個(gè)數(shù)組或?qū)ο蠛?，還可以 在棧中定義一個(gè)特殊的變量，讓棧中這個(gè)變量的取值等于數(shù)組或?qū)ο笤诙褍?nèi)存中的首地址，棧中的這個(gè)變量就成了數(shù)組或?qū)ο蟮囊米兞俊??引用變量就相當(dāng)于是 為數(shù)組或?qū)ο笃鸬囊粋€(gè)名稱，以后就可以在程序中使用棧中的引用變量來訪問堆中的數(shù)組或?qū)ο蟆Ｒ米兞烤拖喈?dāng)于是為數(shù)組或者對(duì)象起的一個(gè)名稱。

引用變量是普通的變量，定義時(shí)在棧中分配，引用變量在程序運(yùn)行到其作用域之外后被釋放。而數(shù)組和對(duì)象本身在堆中分配，即使程序 運(yùn)行到使用 new 產(chǎn)生數(shù)組或者對(duì)象的語句所在的代碼塊之外，數(shù)組和對(duì)象本身占據(jù)的內(nèi)存不會(huì)被釋放，數(shù)組和對(duì)象在沒有引用變量指向它的時(shí)候，才變?yōu)槔荒茉诒皇褂?，但?然占據(jù)內(nèi)存空間不放，在隨后的一個(gè)不確定的時(shí)間被垃圾回收器收走（釋放掉）。這也是 Java 比較占內(nèi)存的原因。

實(shí)際上，棧中的變量指向堆內(nèi)存中的變量，這就是Java中的指針！

常量池 (constant pool)

常量池指的是在編譯期被確定，并被保存在已編譯的.class文件中的一些數(shù)據(jù)。除了包含代碼中所定義的各種基本類型（如int、long等等）和對(duì)象型（如String及數(shù)組）的常量值(final)還包含一些以文本形式出現(xiàn)的符號(hào)引用，比如：

◆類和接口的全限定名；

◆字段的名稱和描述符；

◆方法和名稱和描述符。

虛擬機(jī)必須為每個(gè)被裝載的類型維護(hù)一個(gè)常量池。常量池就是該類型所用到常量的一個(gè)有序集和，包括直接常量（string,integer和 floating point常量）和對(duì)其他類型，字段和方法的符號(hào)引用。

對(duì)于String常量，它的值是在常量池中的。而JVM中的常量池在內(nèi)存當(dāng)中是以表的形式存在的， 對(duì)于String類型，有一張固定長度的CONSTANT_String_info表用來存儲(chǔ)文字字符串值，注意：該表只存儲(chǔ)文字字符串值，不存儲(chǔ)符號(hào)引 用。說到這里，對(duì)常量池中的字符串值的存儲(chǔ)位置應(yīng)該有一個(gè)比較明了的理解了。

在程序執(zhí)行的時(shí)候,常量池 會(huì)儲(chǔ)存在Method Area,而不是堆中。

堆與棧

Java的堆是一個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū),類的(對(duì)象從中分配空間。這些對(duì)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(fù)責(zé)的，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，因?yàn)樗窃谶\(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的，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。

棧的優(yōu)勢(shì)是，存取速度比堆要快，僅次于寄存器，棧數(shù)據(jù)可以共享。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。棧中主要存放一些基本類型的變量數(shù)據(jù)（int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和對(duì)象句柄(引用)。

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;

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，然后查找棧中是否有3這個(gè)值，如果沒找到，就將3存放進(jìn)來，然后將a指向3。接著處理int b = 3；在創(chuàng)建完b的引用變量后，因?yàn)樵跅Ｖ幸呀?jīng)有3這個(gè)值，便將b直接指向3。這樣，就出現(xiàn)了a與b同時(shí)均指向3的情況。

這時(shí)，如果再令 a=4；那么編譯器會(huì)重新搜索棧中是否有4值，如果沒有，則將4存放進(jìn)來，并令a指向4；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。

要注意這種數(shù)據(jù)的共享與兩個(gè)對(duì)象的引用同時(shí)指向一個(gè)對(duì)象的這種共享是不同的，因?yàn)檫@種情況a的修改并不會(huì)影響到b, 它是由編譯器完成的，它有利于節(jié)省空間。而一個(gè)對(duì)象引用變量修改了這個(gè)對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)，會(huì)影響到另一個(gè)對(duì)象引用變量。

String是一個(gè)特殊的包裝類數(shù)據(jù)?？梢杂茫?/p>

String?str?=?new?String("abc");???

String?str?=?"abc";

兩種的形式來創(chuàng)建，第一種是用new()來新建對(duì)象的，它會(huì)在存放于堆中。每調(diào)用一次就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象。而第二種是先在棧中創(chuàng)建一個(gè)對(duì)String類的對(duì)象引用變量str，然后通過符號(hào)引用去字符串常量池 里找有沒有"abc",如果沒有，則將"abc"存放進(jìn)字符串常量池 ，并令str指向”abc”，如果已經(jīng)有”abc” 則直接令str指向“abc”。

比較類里面的數(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==，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(gè)對(duì)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(duì)象。每一次生成一個(gè)。

因此用第二種方式創(chuàng)建多個(gè)”abc”字符串,在內(nèi)存中 其實(shí)只存在一個(gè)對(duì)象而已. 這種寫法有利與節(jié)省內(nèi)存空間. 同時(shí)它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)。歡迎大家關(guān)注我的公種浩【程序員追風(fēng)】，整理了2019年多家公司java面試題資料100多頁pdf文檔，文章都會(huì)在里面更新，整理的資料也會(huì)放在里面。

另 一方面, 要注意: 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，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！而可能只是指向一個(gè)先前已經(jīng)創(chuàng)建的 對(duì)象。只有通過new()方法才能保證每次都創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象。

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。

1. 首先String不屬于8種基本數(shù)據(jù)類型，String是一個(gè)對(duì)象。因?yàn)閷?duì)象的默認(rèn)值是null，所以String的默認(rèn)值也是null；但它又是一種特殊的對(duì)象，有其它對(duì)象沒有的一些特性。

2. new String()和new String(”")都是申明一個(gè)新的空字符串，是空串不是null；

3. String str=”kvill”；String str=new String (”kvill”)的區(qū)別

示例：

String?s0="kvill";???
?
String?s1="kvill";???

String?s2="kv"?+?"ill";???

System.out.println(?s0==s1?);???
?
System.out.println(?s0==s2?);

結(jié)果為：

true?

true

首先，我們要知結(jié)果為道Java 會(huì)確保一個(gè)字符串常量只有一個(gè)拷貝。

因?yàn)槔又械?s0和s1中的”kvill”都是字符串常量，它們?cè)诰幾g期就被確定了，所以s0==s1為true；而”kv”和”ill”也都是字符串常量，當(dāng)一個(gè)字 符串由多個(gè)字符串常量連接而成時(shí)，它自己肯定也是字符串常量，所以s2也同樣在編譯期就被解析為一個(gè)字符串常量，所以s2也是常量池中” kvill”的一個(gè)引用。所以我們得出s0==s1==s2；用new String() 創(chuàng)建的字符串不是常量，不能在編譯期就確定，所以new String() 創(chuàng)建的字符串不放入常量池中，它們有自己的地址空間。

示例：

String?s0="kvill";????

String?s1=new?String("kvill");???

String?s2="kv"?+?new?String("ill");???

System.out.println(?s0==s1?);???

System.out.println(?s0==s2?);???

System.out.println(?s1==s2?);

結(jié)果為：

false?

false?

false

例2中s0還是常量池 中"kvill”的應(yīng)用，s1因?yàn)闊o法在編譯期確定，所以是運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的新對(duì)象”kvill”的引用，s2因?yàn)橛泻蟀氩糠?new String(”ill”)所以也無法在編譯期確定，所以也是一個(gè)新創(chuàng)建對(duì)象”kvill”的應(yīng)用;明白了這些也就知道為何得出此結(jié)果了。

4. String.intern()：

再補(bǔ)充介紹一點(diǎn)：存在于.class文件中的常量池，在運(yùn)行期被JVM裝載，并且可以擴(kuò)充。String的 intern()方法就是擴(kuò)充常量池的 一個(gè)方法；當(dāng)一個(gè)String實(shí)例str調(diào)用intern()方法時(shí)，Java 查找常量池中 是否有相同Unicode的字符串常量，如果有，則返回其的引用，如果沒有，則在常 量池中增加一個(gè)Unicode等于str的字符串并返回它的引用；看示例就清楚了

示例：

String?s0=?"kvill";???

String?s1=new?String("kvill");???
?
String?s2=new?String("kvill");???

System.out.println(?s0==s1?);????

System.out.println(?"**********"?);???

s1.intern();???

s2=s2.intern();?//把常量池中"kvill"的引用賦給s2???

System.out.println(?s0==s1);??

System.out.println(?s0==s1.intern()?);???

System.out.println(?s0==s2?);

結(jié)果為：

false?
false?//雖然執(zhí)行了s1.intern(),但它的返回值沒有賦給s1?
true?//說明s1.intern()返回的是常量池中"kvill"的引用?
true

最后我再破除一個(gè)錯(cuò)誤的理解：有人說，“使用 String.intern() 方法則可以將一個(gè) String 類的保存到一個(gè)全局 String 表中 ，如果具有相同值的 Unicode 字符串已經(jīng)在這個(gè)表中，那么該方法返回表中已有字符串的地址，如果在表中沒有相同值的字符串，則將自己的地址注冊(cè)到表中”如果我把他說的這個(gè)全局的 String 表理解為常量池的話，他的最后一句話，”如果在表中沒有相同值的字符串，則將自己的地址注冊(cè)到表中”是錯(cuò)的：

示例：

String?s1=new?String("kvill");???
?
String?s2=s1.intern();???
?
System.out.println(?s1==s1.intern()?);???
?
System.out.println(?s1+"?"+s2?);???
?
System.out.println(?s2==s1.intern()?);

結(jié)果：

false?
kvill?kvill?
true

在這個(gè)類中我們沒有聲名一個(gè)”kvill”常量，所以常量池中一開始是沒有”kvill”的，當(dāng)我們調(diào)用s1.intern()后就在常量池中新添加了一 個(gè)”kvill”常量，原來的不在常量池中的”kvill”仍然存在，也就不是“將自己的地址注冊(cè)到常量池中”了。

s1==s1.intern() 為false說明原來的”kvill”仍然存在；s2現(xiàn)在為常量池中”kvill”的地址，所以有s2==s1.intern()為true。

5. 關(guān)于equals()和==:

這個(gè)對(duì)于String簡單來說就是比較兩字符串的Unicode序列是否相當(dāng)，如果相等返回true;而==是 比較兩字符串的地址是否相同，也就是是否是同一個(gè)字符串的引用。

6. 關(guān)于String是不可變的

這一說又要說很多，大家只 要知道String的實(shí)例一旦生成就不會(huì)再改變了，比如說：String str=”kv”+”ill”+” “+”ans”; 就是有4個(gè)字符串常量，首先”kv”和”ill”生成了”kvill”存在內(nèi)存中，然后”kvill”又和” ” 生成 “kvill “存在內(nèi)存中，最后又和生成了”kvill ans”;并把這個(gè)字符串的地址賦給了str,就是因?yàn)镾tring的”不可變”產(chǎn)生了很多臨時(shí)變量，這也就是為什么建議用StringBuffer的原 因了，因?yàn)镾tringBuffer是可改變的。

下面是一些String相關(guān)的常見問題：

String中的final用法和理解

final?StringBuffer?a?=?new?StringBuffer("111");final?StringBuffer?b?=?new?StringBuffer("222");a=b;//此句編譯不通過final?StringBuffer?a?=?new?StringBuffer("111");a.append("222");//?編譯通過

可見，final只對(duì)引用的"值"(即內(nèi)存地址)有效，它迫使引用只能指向初始指向的那個(gè)對(duì)象，改變它的指向會(huì)導(dǎo)致編譯期錯(cuò)誤。至于它所指向的對(duì)象 的變化，final是不負(fù)責(zé)的。

String常量池問題的幾個(gè)例子

下面是幾個(gè)常見例子的比較分析和理解：

String?a?=?"a1";???
?
String?b?=?"a"?+?1;???
?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?true??
?
String?a?=?"atrue";???
?
String?b?=?"a"?+?"true";???
?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?true??
?
String?a?=?"a3.4";???
?
String?b?=?"a"?+?3.4;???
?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?true

分析：JVM對(duì)于字符串常量的"+"號(hào)連接，將程序編譯期，JVM就將常量字符串的"+"連接優(yōu)化為連接后的值，拿"a" + 1來說，經(jīng)編譯器優(yōu)化后在class中就已經(jīng)是a1。在編譯期其字符串常量的值就確定下來，故上面程序最終的結(jié)果都為true。

String?a?=?"ab";???
?
String?bb?=?"b";???
?
String?b?=?"a"?+?bb;???
?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?false

分析：JVM對(duì)于字符串引用，由于在字符串的"+"連接中，有字符串引用存在，而引用的值在程序編譯期是無法確定的，即"a" + bb無法被編譯器優(yōu)化，只有在程序運(yùn)行期來動(dòng)態(tài)分配并將連接后的新地址賦給b。所以上面程序的結(jié)果也就為false。

String?a?=?"ab";???
?
final?String?bb?=?"b";???
?
String?b?=?"a"?+?bb;???
?
System.out.println((a?==?b));?//result?=?true

分析：和[3]中唯一不同的是bb字符串加了final修飾，對(duì)于final修飾的變量，它在編譯時(shí)被解析為常量值的一個(gè)本地拷貝存儲(chǔ)到自己的常量 池中或嵌入到它的字節(jié)碼流中。所以此時(shí)的"a" + bb和"a" + "b"效果是一樣的。故上面程序的結(jié)果為true。

String?a?=?"ab";???

final?String?bb?=?getBB();???

String?b?=?"a"?+?bb;???

System.out.println((a?==?b));?//result?=?false???

private?static?String?getBB()?{??return?"b";???}

分析：JVM對(duì)于字符串引用bb，它的值在編譯期無法確定，只有在程序運(yùn)行期調(diào)用方法后，將方法的返回值和"a"來動(dòng)態(tài)連接并分配地址為b，故上面 程序的結(jié)果為false。

通過上面4個(gè)例子可以得出得知：String ?s ?= ?"a" + "b" + "c"; 就等價(jià)于String s = "abc"; ?

String??a??=??"a";???
String??b??=??"b";???
String??c??=??"c";???
String??s??=???a??+??b??+??c;

這個(gè)就不一樣了，最終結(jié)果等于：

?StringBuffer?temp?=?new?StringBuffer();?????

temp.append(a).append(b).append(c);?????

String?s?=?temp.toString();

由上面的分析結(jié)果，可就不難推斷出String 采用連接運(yùn)算符（+）效率低下原因分析，形如這樣的代碼：

public?class?Test?{??
????public?static?void?main(String?args[])?{??
????????String?s?=?null;??
????????for(int?i?=?0;?i?<?100;?i++)?{??
????????s?+=?"a";??
????????}??
????}??
}

每做一次 + 就產(chǎn)生個(gè)StringBuilder對(duì)象，然后append后就扔掉。下次循環(huán)再到達(dá)時(shí)重新產(chǎn)生個(gè)StringBuilder對(duì)象，然后 append 字符串，如此循環(huán)直至結(jié)束。如果我們直接采用 StringBuilder 對(duì)象進(jìn)行 append 的話，我們可以節(jié)省 N - 1 次創(chuàng)建和銷毀對(duì)象的時(shí)間。所以對(duì)于在循環(huán)中要進(jìn)行字符串連接的應(yīng)用，一般都是用StringBuffer或StringBulider對(duì)象來進(jìn)行 append操作。

String對(duì)象的intern方法理解和分析：

public?class?Test4?{??
?
????private?static?String?a?=?"ab";???
?
????public?static?void?main(String[]?args){??
?
????String?s1?=?"a";??
?
????String?s2?=?"b";??
?
????String?s?=?s1?+?s2;??
?
????System.out.println(s?==?a);//false??
?
????System.out.println(s.intern()?==?a);//true????
?
????}??
?
}

這里用到Java里面是一個(gè)常量池的問題。對(duì)于s1+s2操作，其實(shí)是在堆里面重新創(chuàng)建了一個(gè)新的對(duì)象,s保存的是這個(gè)新對(duì)象在堆空間的的內(nèi)容，所 以s與a的值是不相等的。而當(dāng)調(diào)用s.intern()方法，卻可以返回s在常量池中的地址值，因?yàn)閍的值存儲(chǔ)在常量池中，故s.intern和a的值相等。

總結(jié)

棧中用來存放一些原始數(shù)據(jù)類型的局部變量數(shù)據(jù)和對(duì)象的引用(String,數(shù)組.對(duì)象等等)但不存放對(duì)象內(nèi)容

堆中存放使用new關(guān)鍵字創(chuàng)建的對(duì)象.

字符串是一個(gè)特殊包裝類,其引用是存放在棧里的,而對(duì)象內(nèi)容必須根據(jù)創(chuàng)建方式不同定(常量池和堆).有的是編譯期就已經(jīng)創(chuàng)建好，存放在字符串常 量池中，而有的是運(yùn)行時(shí)才被創(chuàng)建.使用new關(guān)鍵字，存放在堆中。

最后

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