Java本質論之關于Java棧與堆的思考

Java本質論之關于Java棧與堆的思考

　　1. 棧(stack)與堆(heap)都是Java用來在Ram中存放資料的地方。與C++不同，Java自動管理棧和堆，程式員不能直接地設定棧或堆。  

　　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，存在棧中的資料大小與生存期必須是确定的，缺乏靈活性。另外，棧資料可以共享，詳見第3點。堆的優勢是可以動态地配置設定記憶體大小，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資料。但缺點是，由于要在運作時動态配置設定記憶體，存取速度較慢。  

　　3. Java中的資料類型有兩種。  

　　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，稱為自動變量。值得注意的是，自動變量存的是字面值，不是類的執行個體，即不是類的引用，這裡并沒有類的存在。如int a = 3; 這裡的a是一個指向int類型的引用，指向3這個字面值。這些字面值的資料，由于大小可知，生存期可知(這些字面值固定定義在某個程式塊裡面，程式塊退出後，字段值就消失了)，出于追求速度的原因，就存在于棧中。  

　　另外，棧有一個很重要的特殊性，就是存在棧中的資料可以共享。假設我們同時定義  

　　int a = 3;  

　　int b = 3；  

　　編譯器先處理int a = 3；首先它會在棧中建立一個變量為a的引用，然後查找有沒有字面值為3的位址，沒找到，就開辟一個存放3這個字面值的位址，然後将a指向3的位址。接着處理int b = 3；在建立完b的引用變量後，由于在棧中已經有3這個字面值，便将b直接指向3的位址。這樣，就出現了a與b同時均指向3的情況。  

　　特别注意的是，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，如果一個對象引用變量修改了這個對象的内部狀态，那麼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，不會導緻另一個指向此字面值的引用的值也跟着改變的情況。如上例，我們定義完a與 b的值後，再令a=4；那麼，b不會等于4，還是等于3。在編譯器内部，遇到a=4；時，它就會重新搜尋棧中是否有4的字面值，如果沒有，重新開辟位址存放4的值；如果已經有了，則直接将a指向這個位址。是以a值的改變不會影響到b的值。  

　　另一種是包裝類資料，如Integer, String, Double等将相應的基本資料類型包裝起來的類。這些類資料全部存在于堆中，Java用new()語句來顯示地告訴編譯器，在運作時才根據需要動态建立，是以比較靈活，但缺點是要占用更多的時間。  

　　4. String是一個特殊的包裝類資料。即可以用String str = new String("abc");的形式來建立，也可以用String str = "abc"；的形式來建立(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！因為編譯器在背景進行Integer i = new Integer(3)的轉換)。前者是規範的類的建立過程，即在Java中，一切都是對象，而對象是類的執行個體，全部通過new()的形式來建立。Java 中的有些類，如DateFormat類，可以通過該類的getInstance()方法來傳回一個新建立的類，似乎違反了此原則。其實不然。該類運用了單例模式來傳回類的執行個體，隻不過這個執行個體是在該類内部通過new()來建立的，而getInstance()向外部隐藏了此細節。那為什麼在String str = "abc"；中，并沒有通過new()來建立執行個體，是不是違反了上述原則？其實沒有。  

　　5. 關于String str = "abc"的内部工作。Java内部将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"的位址，如果沒有，則開辟一個存放字面值為"abc"的位址，接着建立一個新的String類的對象o，并将o 的字元串值指向這個位址，而且在棧中這個位址旁邊記下這個引用的對象o。如果已經有了值為"abc"的位址，則查找對象o，并傳回o的位址。  

　　(3)将str指向對象o的位址。  

　　值得注意的是，一般String類中字元串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；這種場合下，其字元串值卻是儲存了一個指向存在棧中資料的引用！  

　　  

　　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  

　　  

　　注意，我們這裡并不用str1.equals(str2)；的方式，因為這将比較兩個字元串的值是否相等。==号，根據JDK的說明，隻有在兩個引用都指向了同一個對象時才傳回真值。而我們在這裡要看的是，str1與str2是否都指向了同一個對象。  

　　結果說明，JVM建立了兩個引用str1和str2，但隻建立了一個對象，而且兩個引用都指向了這個對象。  

　　我們再來更進一步，将以上代碼改成：  

　　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，指派的變化導緻了類對象引用的變化，str1指向了另外一個新對象！而str2仍舊指向原來的對象。上例中，當我們将str1的值改為"bcd"時，JVM發現在棧中沒有存放該值的位址，便開辟了這個位址，并建立了一個新的對象，其字元串的值指向這個位址。  

　　事實上，String類被設計成為不可改變(immutable)的類。如果你要改變其值，可以，但JVM在運作時根據新值悄悄建立了一個新對象，然後将這個對象的位址傳回給原來類的引用。這個建立過程雖說是完全自動進行的，但它畢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(注意，str3并沒有建立新對象)。當str1改完其值後，再建立一個String的引用str4，并指向因str1修改值而建立的新的對象。可以發現，這回str4也沒有建立新的對象，進而再次實作棧中資料的共享。  

　　我們再接着看以下的代碼。  

　　String str1 = new String("abc");  

　　String str2 = "abc";  

　　System.out.println(str1==str2); //false  

　　建立了兩個引用。建立了兩個對象。兩個引用分别指向不同的兩個對象。  

　　String str1 = "abc";  

　　String str2 = new String("abc");  

　　System.out.println(str1==str2); //false  

　　建立了兩個引用。建立了兩個對象。兩個引用分别指向不同的兩個對象。  

　　以上兩段代碼說明，隻要是用new()來建立對象的，都會在堆中建立，而且其字元串是單獨存值的，即使與棧中的資料相同，也不會與棧中的資料共享。  

　　6. 資料類型包裝類的值不可修改。不僅僅是String類的值不可修改，所有的資料類型包裝類都不能更改其内部的值。  

　　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，我們建立了String類的對象str。擔心陷阱！對象可能并沒有被建立！唯一可以肯定的是，指向 String類的引用被建立了。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()方法來顯要地建立一個新的對象。是以，更為準确的說法是，我們建立了一個指向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。清醒地認識到這一點對排除程式中難以發現的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式的運作速度，因為JVM會自動根據棧中資料的實際情況來決定是否有必要建立新對象。而對于String str = new String("abc")；的代碼，則一概在堆中建立新對象，而不管其字元串值是否相等，是否有必要建立新對象，進而加重了程式的負擔。這個思想應該是享元模式的思想，但JDK的内部在這裡實作是否應用了這個模式，不得而知。  

　　(3)當比較包裝類裡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，以提高程式效率。