Java内存分配管理

 

P.S.

想写这篇总结酝酿了有个来月了，却始终感觉还差点什么东西，一直未敢动笔。         最近两天连夜奋战， 重新整理下 前面查阅的资料、笔记，还是决定将它写出来。         现在提出几个问题， 如果都能熟练回答的大虾，请您飘过. 如以往一样，我是小菜，本文自然也是针对小菜阶层的总结。

 

首先是概念层面的几个问题：

 

• Java中运行时内存结构有哪几种？
  
• Java中为什么要设计堆栈分离?
  
• Java多线程中是如何实现数据共享的？
  
• Java反射的基础是什么？

 

 

 

然后是运用层面：

• 引用类型变量和对象的区别？
• 什么情况下用局部变量，什么情况下用成员变量？
  
• 数组如何初始化？声明一个数组的过程中，如何分配内存？
  
• 声明基本类型数组和声明引用类型的数组，初始化时，内存分配机制有什么区？
  
• 在什么情况下，我们的方法设计为静态化，为什么？（上次胡老师问文奇，问的哑口无言，当时想回答，却老感觉表述不清楚，这里也简单说明一下）

 

 

 

 

 

 

 

好了，问题提完了， 如果您都能一眼看出答案，那么，没有必要再浪费您宝贵的时间看下去了 。

如果您还不太明白，请跟随我一路走下去。

 

 

 

 

 

 

 

 

Java中运行时内存结构

    1.1 方法区：  

方法区是系统分配的一个内存逻辑区域，是 JVM 在装载类文件时，用于存储类型信息的 ( 类的描述信息 )。

    

方法区存放的信息包括：

            1.1.1 类的基本信息：

1. 每个类的全限定名
2. 每个类的直接超类的全限定名 ( 可约束类型转换 )
3. 该类是类还是接口
4. 该类型的访问修饰符
5. 直接超接口的全限定名的有序列表

 

 

 

 

 

 

 

             1.1.2 已装载类的详细信息 ：

1.   运行时常量池 ：

   在方法区中，每个类型都对应一个常量池，存放该类型所用到的所有常量，常量池中存储了诸如 文字字符串、 final 变量值、类名和方法名常量。 它们以数组形式通过索引被访问，是外部调用与类联系及类型对象化的桥梁。（存的可能是个普通的字符串，然后经过常量池解析，则变成指向某个类的引用）

2.   字段信息 ：

   字段信息存放类中声明的每一个字段的信息，包括字段的名、类型、修饰符。

   字段名称指的是类或接口的实例变量或类变量，字段的描述符是一个指示字段的类型的字符串，如 private A a=null; 则 a 为字段名， A 为描述符， private 为修饰符

3.   方法信息 ：

   类中声明的每一个方法的信息，包括方法名、返回值类型、参数类型、修饰符、异常、方法的字节码。

   (在编译的时候，就已经将方法的局部变量、操作数栈大小等确定并存放在字节码中，在装载的时候，随着类一起装入方法区 。)

   在运行时，JVM从常量池中获得符号引用，然后在运行时解析成引用项的实际地址，最后通过常量池中的全限定名、方法和字段描述符，把当前类或接口中的代码与其它类或接口中的代码联系起来。

4.   静态变量 ：

   这个没什么好说的，就是类变量，类的所有实例都共享，我们只需知道，在方法区有个静态区，静态区专门存放静态变量和静态块。

5.   到类 classloader 的引用 ： 到该类的类装载器的引用。
6.   到类 class 的引用 ： 虚拟机为每一个被装载的类型创建一个 class 实例，用来代表这个被装载的类。  

    由此我们可以知道反射的基础 ：

在装载类的时候，加入方法区中的所有信息，最后都会形成Class类的实例，代表这个被装载的类。方法区中的所有的信息，都是可以通过这个Class类对象反射得 到。 我们知道对象是类的实例，类是相同结构的对象的一种抽象。同类的各个对象之间，其实是拥有相同的结构（属性），拥有相同的功能（方法）， 各个对象的区别只在于属性值的不同 。     同样的，我们所有的类，其实都是Class类的实例，他们都拥有相同的结构-----Field数组、Method数组。而各个类中的属性都是Field属性的一个具体属性值，方法都是Method属性的一个具体属性值。

 

  在运行时，JVM从常量池中获得符号引用，然后在运行时解析成引用项的实际地址，最后通过常量池中的全限定名、方法和字段描述符，把当前类或接口中的代码与其它类或接口中的代码联系起来。

 

 

 

 

1.2 Java栈

JVM 栈是程序运行时单位，决定了程序如何执行，或者说数据如何处理。

在 Java 中，一个线程就会有一个线程的 JVM 栈与之对应，因为不过的线程执行逻辑显然不同，因此都需要一个独立的 JVM 栈来存放该线程的执行逻辑。

对方法的调用：

Java 栈内存，以 帧 的形式存放 本地方法 的 调用状态 ，包括方法调用的 参数 、 局部变量、中间结果 等（方法都是以方法帧的形式存放在方法区的），每调用一个方法就将对应该方法的方法帧压入 Java 栈，成为当前方法帧。当调用结束 ( 返回 ) 时，就弹出该帧。

 

这意味着：

在方法中定义的一些 基本类型 的变量和 引用变量 都在方法的栈内存中分配。 当在一段代码块定义一个变量时， Java 就在栈中为这个变量分配内存空间，当超过变量的作用域后（方法执行完成后）， Java 会自动释放掉为该变量所分配的内存空间，该内存空间可以立即被另作它用 。 -------- 同时，因为变量被释放，该变量对应的对象，也就失去了引用，也就变成了可以被gc对象回收的垃圾。

因此我们可以知道成员变量与局部变量的区别：

局部变量，在方法内部声明，当该方法运行完时，内存即被释放。 成员变量，只要该对象还在，哪怕某一个方法运行完了，还是存在。 从系统的角度来说，声明局部变量有利于内存空间的更高效利用（方法运行完即回收）。 成员变量可用于各个方法间进行数据共享。

 

 

Java 栈内存的组成：
局部变量区、操作数栈、帧数据区组成。
（1）：局部变量区为一个以字为单位的数组，每个数组元素对应一个局部变量的值。调用方法时，将方法的局部变量组成一个数组，通过索引来访问。若为非静态方法，则加入一个隐含的引用参数this,该参数指向调用这个方法的对象。而静态方法则没有this参数。因此，对象无法调用静态方法。

 

由此，我们可以知道，方法什么时候设计为静态，什么时候为非静态？

前面已经说过，对象是类的一个实例，各个对象结构相同，只是属性不同。 而静态方法是对象无法调用的。 所以，静态方法适合那些工具类中的工具方法，这些类只是用来实现一些功能，也不需要产生对象，通过设置对象的属性来得到各个不同的个体。

（2）：操作数栈也是一个数组，但是通过栈操作来访问。所谓操作数是那些被指令操作的数据。当需要对参数操作时如a=b+c,就将即将被操作的参数压栈，如将b 和c 压栈，然后由操作指令将它们弹出，并执行操作。虚拟机将操作数栈作为工作区。
（3）：帧数据区处理常量池解析，异常处理等

 

1.3 java堆 

      java的堆是一个运行时的数据区，用来存储数据的单元，存放通过new关键字新建的 对象 和 数组 ，对象从中分配内存。
      在堆中声明的对象，是不能直接访问的，必须通过在栈中声明的指向该引用的变量来调用。引用变量就相当于是为数组或对象起的一个名称，以后就可以在程序中使用栈中的引用变量来访问堆中的数组或对象。
   

     由此我们可以知道,引用类型变量和对象的区别: 

声明的对象是在堆内存中初始化的， 真正用来存储数据的。不能直接访问。 引用类型变量是保存在栈当中的，一个用来引用堆中对象的符号而已（指针）。

堆与栈的比较 ：
JAVA堆与栈都是用来存放数据的，那么他们之间到底有什么差异呢？既然栈也能存放数据，为什么还要设计堆呢？

1. 从存放数据的角度:

       前面我们已经说明:

      栈中存放的是基本类型的变量 or 引用类型的变量

        堆中存放的是对象 or 数组对象.

       在栈中，引用变量的大小为32位，基本类型为1-8个字节。
       但是对象的大小和数组的大小是动态的，这也决定了堆中数据的动态性，因为它是在运行时动态分配内存的， 生存期也不必在编译时确定， Java 的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。

 

2. 从数据共享的角度 :

    1).在单个线程类，栈中的数据可共享

    例如我们定义：

       int a=3;
 int b=3;
    

 

    编译器先处理int a = 3；首先它会在栈中创建一个变量为a 的引用，然后查找栈中是否有3 这个值，如果没找到，就将3 存放进来，然后将a 指向3。接着处理int b = 3；在创建完b 的引用变量后，因为在栈中已经有3这个值，便将b 直接指向3。这样，就出现了a 与b 同时均指向3的情况。

    而如果我们定义：  

      Integer a=new Integer(3);//(1)
Integer b=new Integer(3);//(2)
    

    这个时候执行过程为：在执行(1)时，首先在栈中创建一个变量a，然后在堆内存中实例化一个对象，并且将变量a指向这个实例化的对象。在执行(2)时，过程类似，此时，在堆内存中，会有两个Integer类型的对象。 

 

    2). 在进程的各个线程之间，数据的共享通过堆来实现

        例：那么，在多线程开发中，我们的数据共享又是怎么实现的呢？

 

  如图所示，堆中的数据是所有线程栈所共享的，我们可以通过参数传递，将一个堆中的数据传入各个栈的工作内存中，从而实现多个线程间的数据共享

（多个进程间的数据共享则需要通过网络传输了。） 

 

 

3.从程序设计的的角度:

从软件设计的角度看，JVM栈代表了处理逻辑，而JVM堆代表了数据。这样分开，使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。

4.值传递和引用传递的真相

有了以上关于栈和堆的种种了解后，我们很容易就可以知道值传递和引用传递的真相：

 

1.程序运行永远都是在JVM栈中进行的，因而参数传递时，只存在传递基本类型和对象引用的问题。不会直接传对象本身。 但是传引用的错觉是如何造成的呢? 在运行JVM栈中，基本类型和引用的处理是一样的，都是传值，所以，如果是传引用的方法调用，也同时可以理解为“传引用值”的传值调用，即引用的处理跟基本类型是完全一样的。 但是当进入被调用方法时，被传递的这个引用的值，被程序解释(或者查找)到JVM堆中的对象，这个时候才对应到真正的对象。 如果此时进行修改，修改的是引用对应的对象，而不是引用本身，即：修改的是JVM堆中的数据。所以这个修改是可以保持的了。

 

 

最后：

从某种意义上来说 对象都 是由基本类型组成的。  

 

可以把一个对象看作为一棵树，对象的属性如果还是对象，则还是一颗树(即非叶子节点)，基本类型则为树的叶子节点。程序参数传递时，被传递的值本身都是不能进行修改的，但是，如果这个值是一个非叶子节点(即一个对象引用)，则可以修改这个节点下面的所有内容。

 

 

 

其实，面向对象方式的程序与以前结构化的程序在执行上没有任何区别 。

面向对象的引入，只是 改变了我们 对待问题的思考方式，而更接近于自然方式的思考。

当我们把对象拆开，其实对象的属性就是数据，存放在JVM堆中;而对象的行为(方法)，就是运行逻辑，放在JVM栈中。我们在编写对象的时候，其实即编写了数据结构，也编写的处理数据的逻辑。 

 

 

P.S

 

关于数组的内存分配，对象初始化的内存分配等问题，由于篇幅问题，下次再搞个专题写吧。  连续几天几夜对着此文了。想吐的很，先到这里吧。