Java記憶體的原型及工作原理深度剖析

本文主要通過分析Java記憶體分配的棧、堆以以及常量池詳細的講解了其的工作原理。

一、java虛擬機器記憶體原型

暫存器：我們在程式中無法控制棧：存放基本型別的資料和物件的引用，但物件本身不存放在棧中，而是存放在堆中堆：存放用new產生的資料靜態域：存放在物件中用static定義的靜態成員常量池：存放常量非RAM儲存：硬碟等永久儲存空間。

二、常量池（constant pool）

常量池指的是在編譯期被確定，並被儲存在已編譯的。class檔案中的一些資料。除了包含程式碼中所定義的各種基本型別（如int、long等等）和物件型（如String及陣列）的常量值（final）還包含一些以文字形式出現的符號引用，比如：

1、類和介面的全限定名；

2、欄位的名稱和描述符；

3、方法和名稱和描述符。

虛擬機器必須為每個被裝載的型別維護一個常量池。常量池就是該型別所用到常量的一個有序集和，包括直接常量（string,integer和floating point常量）和對其他型別，欄位和方法的符號引用。對於String常量，它的值是在常量池中的。而JVM中的常量池在記憶體當中是以表的形式存在的， 對於String型別，有一張固定長度的CONSTANT_String_info表用來儲存文字字串值，注意：該表只儲存文字字串值，不儲存符號引 用。說到這裡，對常量池中的字串值的儲存位置應該有一個比較明瞭的理解了。在程式執行的時候，常量池 會儲存在Method Area,而不是堆中。

三、Java記憶體分配中的棧

棧的基本單位是幀（或棧幀）：每當一個java執行緒執行的時候， java虛擬機器會為該執行緒分配一個java棧。該執行緒在執行某個java方法的時候， 向java棧壓入一個幀，這個幀用於儲存引數、區域性變數、運算元、中間運算結果等。當這個方法執行完的時候，幀會從棧中彈出。Java棧上的所有資料是私有的，其他執行緒都不能該執行緒的棧資料。在函式中定義的一些基本型別的變數資料和物件的引用變數都在函式的棧記憶體中分配。當在一段程式碼塊定義一個變數時，Java就在棧中 為這個變數分配記憶體空間，當該變數退出該作用域後，Java會自動釋放掉為該變數所分配的記憶體空間，該記憶體空間可以立即被另作他用。

四、Java記憶體分配中的堆

java虛擬機器中的堆用來存放由new建立的物件和陣列。 在堆中分配的記憶體，由Java虛擬機器的自動的垃圾回收機制來管理堆的記憶體。簡單的說和棧相對，堆主要是用來存放java物件的，棧主要是用來存放物件引用的…在堆中產生了一個陣列或物件後，還可以 在棧中定義一個特殊的變數，讓棧中這個變數的取值等於陣列或物件在堆記憶體中的首地址，棧中的這個變數就成了陣列或物件的引用變數。 引用變數就相當於是 為陣列或物件起的一個名稱，以後就可以在程式中使用棧中的引用變數來訪問堆中的陣列或物件。引用變數就相當於是為陣列或者物件起的一個名稱。

引用變數是普通的變數，定義時在棧中分配，引用變數在程式執行到其作用域之外後被釋放。而陣列和物件本身在堆中分配，即使程式執行到使用new 產生陣列或者物件的語句所在的程式碼塊之外，陣列和物件本身佔據的記憶體不會被釋放，陣列和物件在沒有引用變數指向它的時候，才變為垃圾，不能在被使用，但仍 然佔據記憶體空間不放，在隨後的一個不確定的時間被垃圾回收器收走（釋放掉）。這也是Java 比較佔記憶體的原因。實際上，棧中的變數指向堆記憶體中的變數，這就是Java中的指標！

Java的堆是一個執行時資料區，類的（物件從中分配空間。這些物件通過new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，它們不需要程式程式碼來顯式的釋放。堆是由垃圾回收來負責的，堆的優勢是可以動態地分配記憶體 大小，生存期也不必事先告訴編譯器，因為它是在執行時動態分配記憶體的，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，由於要在執行時動態 分配記憶體，存取速度較慢。

棧的優勢是，存取速度比堆要快，僅次於暫存器，棧資料可以共享。但缺點是，存在棧中的資料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型別的變數資料（int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和物件控制程式碼（引用）。

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數為a的引用，然後查詢棧中是否有3這個值，如果沒找到，就將3存放進來，然後將a指向3.接著處理int b = 3;在建立完b的引用變數後，因為在棧中已經有3這個值，便將b直接指向3.這樣，就出現了a與b同時均指向3的情況。

這時，如果再令a=4;那麼編譯器會重新搜尋棧中是否有4值，如果沒有，則將4存放進來，並令a指向4;如果已經有了，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。

要注意這種資料的共享與兩個物件的引用同時指向一個物件的這種共享是不同的，因為這種情況a的修改並不會影響到b, 它是由編譯器完成的，它有利於節省空間。而一個物件引用變數修改了這個物件的內部狀態，會影響到另一個物件引用變數。