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Java記憶體配置設定全面淺析

在大神的博文:http://blog.csdn.net/yangyuankp/article/details/7651251 的基礎上加以修改。

      本文将由淺入深詳細介紹Java記憶體配置設定的原理,以幫助新手更輕松的學習Java。這類文章網上有很多,但大多比較零碎。本文從認知過程角度出發,将帶給讀者一個系統的介紹。

  進入正題前首先要知道的是Java程式運作在JVM(Java  Virtual Machine,Java虛拟機)上,可以把JVM了解成Java程式和作業系統之間的橋梁,JVM實作了Java的平台無關性,由此可見JVM的重要性。

  *.java檔案首先使用javac編譯成*.class檔案,*.class檔案是與平台無關的位元組碼。隻要在不同的平台上實作相應的虛拟機,編譯後的位元組碼*.class檔案就可以在該平台上運作了。這是java跨平台的關鍵。

  JVM是一個抽象的計算機,和實際的計算機一樣,也有自己的指令集并使用不同的存儲區域。它負責執行指令,管理資料、記憶體和寄存器。是以在學習Java記憶體配置設定原理的時候一定要牢記這一切都是在JVM中進行的,JVM是記憶體配置設定原理的基礎與前提。

簡單通俗的講,一個完整的Java程式運作過程會涉及以下記憶體區域:

  寄存器:JVM内部虛拟寄存器,存取速度非常快,程式不可控制。

  棧:儲存局部變量的值,包括:1.用來儲存基本資料類型的值;2.儲存類的執行個體,即堆區對象的引用(指針)。也可以用來儲存加載方法時的幀。

  堆:用來存放動态産生的資料,比如new出來的對象。注意建立出來的對象隻包含屬于各自的成員變量,并不包括成員方法。因為同一個類的對象擁有各自的成員變量,存儲在各自的堆中,但是他們共享該類的方法,并不是每建立一個對象就把成員方法複制一次。

  假設有個Person類。代碼:Person p = new Person();建立了一個Person對象,并把Person對象賦給p變量。這段代碼産生了2個東西:

    1是變量p。存放在棧中,如下圖左側。(引用類型變量)

    2是Person對象。存放在堆中,如下圖右側。

                                              

Java記憶體配置設定全面淺析

  常量池:JVM為每個已加載的類型維護一個常量池,常量池就是這個類型用到的常量的一個有序集合。包括直接常量(基本類型,String)和對其他類型、方法、字段的符号引用(1)。池中的資料和數組一樣通過索引通路。由于常量池包含了一個類型所有的對其他類型、方法、字段的符号引用,是以常量池在Java的動态連結中起了核心作用。常量池存在于堆中。

  代碼段:用來存放從硬碟上讀取的源程式代碼。

  資料段:用來存放static定義的靜态成員。

下面是記憶體表示圖:

                               

Java記憶體配置設定全面淺析

  上圖中大緻描述了Java記憶體配置設定,接下來通過執行個體詳細講解Java程式是如何在記憶體中運作的(注:以下圖檔引用自尚學堂馬士兵老師的J2SE課件,圖右側是程式代碼,左側是記憶體配置設定示意圖,我會一一加上注釋)。

預備知識:

   1.一個Java檔案,隻要有main入口方法,我們就認為這是一個Java程式,可以單獨編譯運作。

   2.無論是普通類型的變量還是引用類型的變量(俗稱執行個體),都可以作為局部變量,他們都可以出現在棧中。隻不過普通類型的變量在棧中直接儲存它所對應的值,而引用類型的變量儲存的是一個指向堆區的指針,通過這個指針,就可以找到這個執行個體在堆區對應的對象。是以,普通類型變量隻在棧區占用一塊記憶體,而引用類型變量要在棧區和堆區各占一塊記憶體。

示例:

Java記憶體配置設定全面淺析

         1.JVM自動尋找main方法,執行第一句代碼,建立一個Test類的執行個體,在棧中配置設定一塊記憶體,存放一個指向堆區對象的指針110925。

         2.建立一個int型的變量date,由于是基本類型,直接在棧中存放date對應的值9。

         3.建立兩個BirthDate類的執行個體d1、d2,在棧中分别存放了對應的指針指向各自的對象(對象在堆中)。他們在執行個體化時調用了有參數的構造方法,是以對象中有自定義初始值。

Java記憶體配置設定全面淺析

         調用test對象的change1方法,并且以date為參數。JVM讀到這段代碼時,檢測到i是局部變量,是以會把i放在棧中,并且把date的值賦給i。

Java記憶體配置設定全面淺析

         把1234賦給i。很簡單的一步。

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         change1方法執行完畢,立即釋放局部變量i所占用的棧空間。

Java記憶體配置設定全面淺析

         調用test對象的change2方法,以執行個體d1為參數。JVM檢測到change2方法中的b參數為局部變量,立即加入到棧中,由于是引用類型的變量,是以b中儲存的是d1中的指針,此時b和d1指向同一個堆中的對象。在b和d1之間傳遞是指針。

Java記憶體配置設定全面淺析

         change2方法中又執行個體化了一個BirthDate對象,并且賦給b。在内部執行過程是:在堆區new了一個對象,并且把該對象的指針儲存在棧中的b對應空間,此時執行個體b不再指向執行個體d1所指向的對象,但是執行個體d1所指向的對象并無變化,這樣無法對d1造成任何影響。

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         change2方法執行完畢,立即釋放局部引用變量b所占的棧空間,注意隻是釋放了棧空間,堆空間要等待自動回收。

Java記憶體配置設定全面淺析

         調用test執行個體的change3方法,以執行個體d2為參數。同理,JVM會在棧中為局部引用變量b配置設定空間,并且把d2中的指針存放在b中,此時d2和b指向同一個對象。再調用執行個體b的setDay方法,其實就是調用d2指向的對象的setDay方法。

Java記憶體配置設定全面淺析

         調用執行個體b的setDay方法會影響d2,因為二者指向的是同一個對象。

Java記憶體配置設定全面淺析

         change3方法執行完畢,立即釋放局部引用變量b。

         以上就是Java程式運作時記憶體配置設定的大緻情況。其實也沒什麼,掌握了思想就很簡單了。無非就是兩種類型的變量:基本類型和引用類型。二者作為局部變量,都放在棧中,基本類型直接在棧中儲存值,引用類型隻儲存一個指向堆區的指針,真正的對象在堆裡。作為參數時基本類型就直接傳值,引用類型傳指針。

小結:

  1.厘清什麼是執行個體什麼是對象。Class a= new Class();此時a叫執行個體,而不能說a是對象(new Class()才是對象)。執行個體在棧中,對象在堆中,操作執行個體實際上是通過執行個體的指針間接操作對象。多個執行個體可以指向同一個對象。

  2.棧中的資料和堆中的資料銷毀并不是同步的。方法一旦結束,棧中的局部變量立即銷毀,但是堆中對象不一定銷毀。因為可能有其他變量也指向了這個對象,直到棧中沒有變量指向堆中的對象時,它才銷毀,而且還不是馬上銷毀,要等垃圾回收掃描時才可以被銷毀。

      3.以上的棧、堆、代碼段、資料段等等都是相對于應用程式而言的。每一個應用程式都對應唯一的一個JVM執行個體,每一個JVM執行個體都有自己的記憶體區域,互不影響。并且這些記憶體區域是所有線程共享的。這裡提到的棧和堆都是整體上的概念,這些堆棧還可以細分。

       4.類的成員變量在不同對象中各不相同,都有自己的存儲空間(成員變量在堆中的對象中)。而類的方法卻是該類的所有對象共享的,隻有一套,對象使用方法的時候方法才被壓入棧,方法不使用則不占用記憶體。

  以上分析隻涉及了棧和堆,還有一個非常重要的記憶體區域:常量池,這個地方往往出現一些莫名其妙的問題。常量池是幹嘛的上邊已經說明了,也沒必要了解多麼深刻,隻要記住它維護了一個已加載類的常量就可以了。接下來結合一些例子說明常量池的特性。

  基本類型和基本類型的包裝類。

  基本類型有:byte、short、char、int、long、boolean。

  基本類型的包裝類分别是:Byte、Short、Character、Integer、Long、Boolean。

  注意區分大小寫。

  二者的差別是:基本類型展現在程式中是普通變量,基本類型的包裝類是類,展現在程式中是引用變量。

  是以二者在記憶體中的存儲位置不同:基本類型存儲在棧中,而基本類型包裝類存儲在堆中。上邊提到的這些包裝類都實作了常量池技術,另外兩種浮點數類型的包裝類則沒有實作。另外,String類型也實作了常量池技術。

執行個體:

結果:

結果分析:

     1.i和i0均是普通類型(int)的變量,是以資料直接存儲在棧中,而棧有一個很重要的特性:棧中的資料可以共享。當我們定義了int i = 40;,再定義int i0 = 40;這時候會自動檢查棧中是否有40這個資料,如果有,i0會直接指向i的40,不會再添加一個新的40。

         2.i1和i2均是引用類型,在棧中存儲指針,因為Integer是包裝類。由于Integer 包裝類實作了常量池技術,是以i1、i2的40均是從常量池中擷取的,均指向同一個位址,是以i1=12。

         3.很明顯這是一個加法運算,Java的數學運算都是在棧中進行的,Java會自動對i1、i2進行拆箱操作轉化成整型,是以i1在數值上等于i2+i3。

         4.i4和i5 均是引用類型,在棧中存儲指針,因為Integer是包裝類。但是由于他們各自都是new出來的,是以不再從常量池尋找資料,而是從堆中各自new一個對象,然後各自儲存指向對象的指針,是以i4和i5不相等,因為他們所存指針不同,所指向對象不同。

         5.這也是一個加法運算,和3同理。

         6.d1和d2均是引用類型,在棧中存儲指針,因為Double是包裝類。但Double包裝類沒有實作常量池技術,是以Doubled1=1.0;相當于Double d1=new Double(1.0);,是從堆new一個對象,d2同理。是以d1和d2存放的指針不同,指向的對象不同,是以不相等。

         1.以上提到的幾種基本類型包裝類均實作了常量池技術,但他們維護的常量僅僅是【-128至127】這個範圍内的常量,如果常量值超過這個範圍,就會從堆中建立對象,不再從常量池中取。比如,把上邊例子改成Integer i1 = 400; Integer i2 = 400;,很明顯超過了127,無法從常量池擷取常量,就要從堆中new新的Integer對象,這時i1和i2就不相等了。

         2.String類型也實作了常量池技術,但是稍微有點不同。String型是先檢測常量池中有沒有對應字元串,如果有,則取出來;如果沒有,則把目前的添加進去。

         凡是涉及記憶體原理,一般都是博大精深的領域,切勿聽信一家之言,多讀些文章。我在這隻是淺析,裡邊還有很多存在某種問題或陰謀,就留給讀者探索思考了。希望本文能對大家有所幫助!

腳注:

  (1) 符号引用,顧名思義,就是一個符号,符号引用被使用的時候,才會解析這個符号。如果熟悉linux或unix系統的,可以把這個符号引用看作一個檔案的軟連結,當使用這個軟連接配接的時候,才會真正解析它,展開它找到實際的檔案對于符号引用,在類加載層面上讨論比較多,源碼級别隻是一個形式上的讨論。

  當一個類被加載時,該類所用到的别的類的符号引用都會儲存在常量池,實際代碼執行的時候,首次遇到某個别的類時,JVM會對常量池的該類的符号引用展開,轉為直接引用,這樣下次再遇到同樣的類型時,JVM就不再解析,而直接使用這個已經被解析過的直接引用。

  除了上述的類加載過程的符号引用說法,對于源碼級别來說,就是依照引用的解析過程來差別代碼中某些資料屬于符号引用還是直接引用,如,System.out.println("test" +"abc");//這裡發生的效果相當于直接引用,而假設某個Strings = "abc"; System.out.println("test" + s);//這裡的發生的效果相當于符号引用,即把s展開解析,也就相當于s是"abc"的一個符号連結,也就是說在編譯的時候,class檔案并沒有直接展看s,而把這個s看作一個符号,在實際的代碼執行時,才會展開這個。

參考文章: