關於Java棧與堆的思考

關於Java棧與堆的思考[@more@]　　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，程式設計師不能直接地設定棧或堆。

　　2. 棧的優勢是，存取速度比堆要快，僅次於直接位於CPU中的暫存器。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。另外，棧資料可以共享，詳見第3點。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，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。

　　3. Java中的資料型別有兩種。
　　一種是基本型別(primitive types), 共有8種，即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意，並沒有string的基本型別)。這種型別的定義是透過諸如int a = 3; long b = 255L;的形式來定義的，稱為自動變數。值得注意的是，自動變數存的是字面值，不是類的例項，即不是類的引用，這裡並沒有類的存在。如int a = 3; 這裡的a是一個指向int型別的引用，指向3這個字面值。這些字面值的資料，由於大小可知，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，欄位值就消失了)，出於追求速度的原因，就存在於棧中。
　　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數為a的引用，然後查詢有沒有字面值為3的地址，沒找到，就開闢一個存放3這個字面值的地址，然後將a指向3的地址。接著處理int b = 3；在建立完b的引用變數後，由於在棧中已經有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。
　　特別注意的是，這種字面值的引用與類物件的引用不同。假定兩個類物件的引用同時指向一個物件，如果一個物件引用變數修改了這個物件的內部狀態，那麼另一個物件引用變數也即刻反映出這個變化。相反，透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的值後，再令a=4；那麼，b不會等於4，還是等於3。在編譯器內部，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，重新開闢地址存放4的值；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。
　　另一種是包裝類資料，如Integer, String, Double等將相應的基本資料型別包裝起來的類。這些類資料全部存在於堆中，Java用new()語句來顯示地告訴編譯器，在執行時才根據需要動態建立，因此比較靈活，但缺點是要佔用更多的時間。

　　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;的表示式，因為類與字面值是不能通用的，除了String。而在JDK 5.0中，這種表示式是可以的！因為編譯器在後臺進行Integer i = new Integer(3)的轉換)。前者是規範的類的建立過程，即在Java中，一切都是物件，而物件是類的例項，全部透過new()的形式來建立。Java 中的有些類，如DateFormat類，可以透過該類的getInstance()方法來返回一個新建立的類，似乎違反了此原則。其實不然。該類運用了單例模式來返回類的例項，只不過這個例項是在該類內部透過new()來建立的，而getInstance()向外部隱藏了此細節。那為什麼在String str = "abc"；中，並沒有透過new()來建立例項，是不是違反了上述原則？其實沒有。

　　5. 關於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類的物件引用變數：String str；
　　(2)在棧中查詢有沒有存放值為"abc"的地址，如果沒有，則開闢一個存放字面值為"abc"的地址，接著建立一個新的String類的物件o，並將o 的字串值指向這個地址，而且在棧中這個地址旁邊記下這個引用的物件o。如果已經有了值為"abc"的地址，則查詢物件o，並返回o的地址。
　　(3)將str指向物件o的地址。
　　值得注意的是，一般String類中字串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；這種場合下，其字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，我們可以透過以下的幾個程式碼進行驗證。

　　String str1 = "abc";
　　String str2 = "abc";
　　System.out.println(str1==str2); //true
　　
　　注意，我們這裡並不用str1.equals(str2)；的方式，因為這將比較兩個字串的值是否相等。==號，根據JDK的說明，只有在兩個引用都指向了同一個物件時才返回真值。而我們在這裡要看的是，str1與str2是否都指向了同一個物件。
　　結果說明，JVM建立了兩個引用str1和str2，但只建立了一個物件，而且兩個引用都指向了這個物件。

　　我們再來更進一步，將以上程式碼改成：

　　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物件引用的變化，str1指向了另外一個新物件！而str2仍舊指向原來的物件。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，便開闢了這個地址，並建立了一個新的物件，其字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。如果你要改變其值，可以，但JVM在執行時根據新值悄悄建立了一個新物件，然後將這個物件的地址返回給原來類的引用。這個建立過程雖說是完全自動進行的，但它畢竟佔用了更多的時間。在對時間要求比較敏感的環境中，會帶有一定的不良影響。

　　再修改原來程式碼：

　　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 這個物件的引用直接指向str1所指向的物件(注意，str3並沒有建立新物件)。當str1改完其值後，再建立一個String的引用str4，並指向因str1修改值而建立的新的物件。可以發現，這回str4也沒有建立新的物件，從而再次實現棧中資料的共享。

　　我們再接著看以下的程式碼。

　　String str1 = new String("abc");
　　String str2 = "abc";
　　System.out.println(str1==str2); //false

　　建立了兩個引用。建立了兩個物件。兩個引用分別指向不同的兩個物件。

　　String str1 = "abc";
　　String str2 = new String("abc");
　　System.out.println(str1==str2); //false

　　建立了兩個引用。建立了兩個物件。兩個引用分別指向不同的兩個物件。

　　以上兩段程式碼說明，只要是用new()來新建物件的，都會在堆中建立，而且其字串是單獨存值的，即使與棧中的資料相同，也不會與棧中的資料共享。

　　6. 資料型別包裝類的值不可修改。不僅僅是String類的值不可修改，所有的資料型別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，我們建立了String類的物件str。擔心陷阱！物件可能並沒有被建立！唯一可以肯定的是，指向 String類的引用被建立了。至於這個引用到底是否指向了一個新的物件，必須根據上下文來考慮，除非你透過new()方法來顯要地建立一個新的物件。因此，更為準確的說法是，我們建立了一個指向String類的物件的引用變數str，這個物件引用變數指向了某個值為"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執行速度，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物件。而對於String str = new String("abc")；的程式碼，則一概在堆中建立新物件，而不管其字串值是否相等，是否有必要建立新物件，從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的內部在這裡實現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物件時，用==。

　　(4)由於String類的immutable性質，當String變數需要經常變換其值時，應該考慮使用StringBuffer類，以提高程式效率。