JVM記憶體結構劃分

墨澜發表於2024-07-31
JVM記憶體

棧

"棧"（Stack）是一種遵循後進先出（Last In First Out，LIFO）原則的抽象資料型別。以下是棧的一些基本特點和操作：

特點：

  1. LIFO 原則：最後加入棧的元素將是第一個被移除的元素。
  2. 動態大小：棧的大小可以根據需要動態變化。
  3. 線性結構：元素儲存在棧中的方式是線性的，但只能從一端（棧頂）訪問。

基本操作：

  1. Push：將一個元素新增到棧頂。
  2. Pop：從棧頂移除元素，並返回被移除的元素。
  3. Peek/Top：檢視棧頂元素，但不移除它。
  4. IsEmpty：檢查棧是否為空。
  5. Size：獲取棧中元素的數量。

示例：

在許多程式語言中，可以使用陣列或連結串列來實現棧。以下是使用陣列實現棧的簡單示例：

public class Stack<T> {
    private T[] stack;
    private int top;
    private int capacity;

    public Stack(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.stack = (T[]) new Object[capacity];
        this.top = -1;
    }

    public void push(T element) {
        if (top >= capacity - 1) {
            throw new StackOverflowError("Stack is full");
        }
        stack[++top] = element;
    }

    public T pop() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalStateException("Stack is empty");
        }
        return stack[top--];
    }

    public T peek() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalStateException("Stack is empty");
        }
        return stack[top];
    }

    public boolean isEmpty() {
        return top == -1;
    }

    public int size() {
        return top + 1;
    }
}

程式碼解釋：

  • Stack 類是一個泛型類，可以儲存任意型別的元素。
  • 構造方法接受一個容量引數，初始化棧的大小。
  • push 方法將元素新增到棧頂，如果棧已滿，則丟擲異常。
  • pop 方法從棧頂移除元素並返回它，如果棧為空，則丟擲異常。
  • peek 方法返回棧頂元素但不移除它，如果棧為空，則丟擲異常。
  • isEmpty 方法檢查棧是否為空。
  • size 方法返回棧中元素的數量。

應用場景：

  • 函式呼叫：許多程式語言使用棧來跟蹤函式呼叫，儲存區域性變數和返回地址。
  • 表示式求值：用於評估和簡化算術表示式，如字尾表示式（逆波蘭表示法）。
  • 回溯演算法：如迷宮求解、八皇后問題等。
  • 撤銷操作：在編輯器中實現撤銷（Undo）功能。
  • 深度優先搜尋（DFS）：在圖和樹的遍歷中使用。

堆

“堆”（Heap）有兩個不同的概念，一個是指資料結構，另一個是指記憶體管理中的堆。下面分別解釋這兩個概念：

1. 堆（資料結構）

堆是一種特殊的樹狀資料結構，通常用於實現優先佇列。它滿足以下特性：

  • 結構特性：堆通常是一棵完全二叉樹，這意味著除了最後一層外，其他每層都被完全填滿，並且最後一層的節點儘可能地集中在左側。
  • 堆序：堆中的每一個節點都必須滿足特定的順序要求。在最小堆中，父節點的值總是小於或等於其子節點的值；在最大堆中，父節點的值總是大於或等於其子節點的值。

基本操作：

  • Insert（新增）：將新元素新增到堆中，並維持堆的性質。
  • Extract（提取）：移除並返回堆中的根節點（最小堆中是最小元素，最大堆中是最大元素），然後重新調整堆以維持其性質。
  • Peek/Top：返回堆頂元素，但不移除它，對於最小堆是最小元素，對於最大堆是最大元素。
  • Decrease Key（降低關鍵字）：將堆中某個元素的值降低，並重新調整堆以維持堆的性質。
  • Increase Key（提高關鍵字）：將堆中某個元素的值提高，如果違反了堆的性質，則需要進行調整。

應用場景：

  • 優先佇列：堆是實現優先佇列的理想資料結構，允許快速訪問最高或最低優先順序的元素。
  • 排序演算法：堆排序演算法使用堆資料結構對陣列進行排序。

2. 堆（記憶體管理）

在計算機記憶體管理中，堆是用於動態記憶體分配的記憶體區域。以下是它的一些關鍵特點：

  • 動態分配：堆用於分配在執行時才知道大小的記憶體塊。
  • 碎片化：由於不同大小的記憶體塊被分配和釋放，堆記憶體可能會變得碎片化。
  • 垃圾回收：在有垃圾回收機制的語言（如Java、C#）中，堆記憶體由垃圾收集器定期清理，回收不再使用的物件所佔用的記憶體。
  • 效能開銷：分配和釋放堆記憶體通常比棧記憶體慢，因為可能涉及記憶體管理的額外開銷，如垃圾回收。

應用場景：

  • 動態記憶體分配：在程式執行期間，為物件分配記憶體。
  • 垃圾回收：自動管理記憶體的生命週期，防止記憶體洩漏。

示例程式碼（堆資料結構）：

import java.util.PriorityQueue;

public class HeapExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 建立一個最小堆的優先佇列
        PriorityQueue<Integer> minHeap = new PriorityQueue<>();
        
        // 新增元素到堆中
        minHeap.add(20);
        minHeap.add(10);
        minHeap.add(15);

        // 提取堆頂元素
        while (!minHeap.isEmpty()) {
            System.out.println(minHeap.poll()); // 將按最小堆的順序輸出元素
        }
    }
}

PriorityQueue 被用來建立一個最小堆，元素按照升序被新增和提取。這個特性使得 PriorityQueue 成為實現堆排序和優先佇列的理想選擇。

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