Java本質論之關于Java棧與堆的思考

2019-11-18 13:09:27

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　　1. 棧(stack)與堆(heap)都是java用來在Ram中存放數據的地方。與C++不同，Java自動治理棧和堆，程序員不能直接地設置棧或堆。
　　
　　2. 棧的優勢是，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。另外，棧數據可以共享，詳見第3點。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，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，由于要在運行時動態分配內存，存取速度較慢。
　　
　　3. Java中的數據類型有兩種。
　　
　　一種是基本類型(PRimitive types), 共有8種，即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注重，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，稱為自動變量。值得注重的是，自動變量存的是字面值，不是類的實例，即不是類的引用，這里并沒有類的存在。如int a = 3; 這里的a是一個指向int類型的引用，指向3這個字面值。這些字面值的數據，由于大小可知，生存期可知(這些字面值固定定義在某個程序塊里面，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，棧有一個很重要的非凡性，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，然后查找有沒有字面值為3的地址，沒找到，就開辟一個存放3這個字面值的地址，然后將a指向3的地址。接著處理int b = 3；在創建完b的引用變量后，由于在棧中已經有3這個字面值，便將b直接指向3的地址。這樣，就出現了a與b同時均指向3的情況。
　　
　　非凡注重的是，這種字面值的引用與類對象的引用不同。假定兩個類對象的引用同時指向一個對象，假如一個對象引用變量修改了這個對象的內部狀態，那么另一個對象引用變量也即刻反映出這個變化。相反，通過字面值的引用來修改其值，不會導致另一個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不會等于4，還是等于3。在編譯器內部，碰到a=4；時，它就會重新搜索棧中是否有4的字面值，假如沒有，重新開辟地址存放4的值；假如已經有了，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。
　　
　　另一種是包裝類數據，如Integer, String, Double等將相應的基本數據類型包裝起來的類。這些類數據全部存在于堆中，Java用new()語句來顯示地告訴編譯器，在運行時才根據需要動態創建，因此比較靈活，但缺點是要占用更多的時間。 4. String是一個非凡的包裝類數據。即可以用String str = new String("abc");的形式來創建，也可以用String str = "abc"；的形式來創建(作為對比，在JDK 5.0之前，你從未見過Integer i = 3;的表達式，因為類與字面值是不能通用的，除了String。而在JDK 5.0中，這種表達式是可以的！因為編譯器在后臺進行Integer i = new Integer(3)的轉換)。前者是規范的類的創建過程，即在Java中，一切都是對象，而對象是類的實例，全部通過new()的形式來創建。Java中的有些類，如DateFormat類，可以通過該類的getInstance()方法來返回一個新創建的類，似乎違反了此原則。其實不然。該類運用了單例模式來返回類的實例，只不過這個實例是在該類內部通過new()來創建的，而getInstance()向外部隱藏了此細節。那為什么在String str = "abc"；中，并沒有通過new()來創建實例，是不是違反了上述原則？其實沒有。
　　
　　5. 關于String str = "abc"的內部工作。Java內部將此語句轉化為以下幾個步驟：
　　
　　(1)先定義一個名為str的對String類的對象引用變量：String str；
　　
　　(2)在棧中查找有沒有存放值為"abc"的地址，假如沒有，則開辟一個存放字面值為"abc"的地址，接著創建一個新的String類的對象o，并將o的字符串值指向這個地址，而且在棧中這個地址旁邊記下這個引用的對象o。假如已經有了值為"abc"的地址，則查找對象o，并返回o的地址。
　　
　　(3)將str指向對象o的地址。
　　
　　值得注重的是，一般String類中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；這種場合下，其字符串值卻是保存了一個指向存在棧中數據的引用！
　　
　　為了更好地說明這個問題，我們可以通過以下的幾個代碼進行驗證。
　　
　　String str1 = "abc";
　　String str2 = "abc";
　　System.out.println(str1==str2); //true
　　
　　注重，我們這里并不用str1.equals(str2)；的方式，因為這將比較兩個字符串的值是否相等。==號，根據JDK的說明，只有在兩個引用都指向了同一個對象時才返回真值。而我們在這里要看的是，str1與str2是否都指向了同一個對象。
　　結果說明，JVM創建了兩個引用str1和str2，但只創建了一個對象，而且兩個引用都指向了這個對象。
　　
　　我們再來更進一步，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，賦值的變化導致了類對象引用的變化，str1指向了另外一個新對象！而str2仍然指向原來的對象。上例中，當我們將str1的值改為"bcd"時，JVM發現在棧中沒有存放該值的地址，便開辟了這個地址，并創建了一個新的對象，其字符串的值指向這個地址。
　　
　　事實上，String類被設計成為不可改變(immutable)的類。假如你要改變其值，可以，但JVM在運行時根據新值靜靜創建了一個新對象，然后將這個對象的地址返回給原來類的引用。這個創建過程雖說是完全自動進行的，但它究竟占用了更多的時間。在對時間要求比較敏感的環境中，會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這個對象的引用直接指向str1所指向的對象(注重，str3并沒有創建新對象)。當str1改完其值后，再創建一個String的引用str4，并指向因str1修改值而創建的新的對象。可以發現，這回str4也沒有創建新的對象，從而再次實現棧中數據的共享。
　　
　　我們再接著看以下的代碼。
　　
　　String str1 = new String("abc");
　　String str2 = "abc";
　　System.out.println(str1==str2); //false
　　
　　創建了兩個引用。創建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。
　　
　　String str1 = "abc";
　　String str2 = new String("abc");
　　System.out.println(str1==str2); //false
　　
　　創建了兩個引用。創建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。
　　
　　以上兩段代碼說明，只要是用new()來新建對象的，都會在堆中創建，而且其字符串是單獨存值的，即使與棧中的數據相同，也不會與棧中的數據共享。
　　
　　6. 數據類型包裝類的值不可修改。不僅僅是String類的值不可修改，所有的數據類型包裝類都不能更改其內部的值。 7. 結論與建議：
　　
　　(1)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，我們創建了String類的對象str。擔心陷阱！對象可能并沒有被創建！唯一可以肯定的是，指向String類的引用被創建了。至于這個引用到底是否指向了一個新的對象，必須根據上下文來考慮，除非你通過new()方法來顯要地創建一個新的對象。因此，更為準確的說法是，我們創建了一個指向String類的對象的引用變量str，這個對象引用變量指向了某個值為"abc"的String類。清醒地熟悉到這一點對排除程序中難以發現的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。而對于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。這個思想應該是享元模式的思想，但JDK的內部在這里實現是否應用了這個模式，不得而知。
　　
　　(3)當比較包裝類里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==。
　　
　　(4)由于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。

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