Java中堆栈(stack)和堆(heap)比较

 本文大部分转载为梁钟霖个人博客www.liangzl.com,,但加入许多其他资料以及自我见解。

（１）内存分配的策略

　　按照编译原理的观点,程序运行时的内存分配有三种策略,分别是静态的,栈式的,和堆式的.(这里只是说明分配的方法，并未指出物理地址名)

   　静态存储分配是指在编译时就能确定每个数据目标在运行时刻的存储空间需求,因而在编 译时就可以给他们分配固定的内存空间.这种分配策略要求程序代码中不允许有可变数据结构(比如可变数组)的存在,也不允许有嵌套或者递归的结构出现,因为 它们都会导致编译程序无法计算准确的存储空间需求.

　栈式存储分配也可称为动态存储分配,是由一个类似于堆栈的运行栈来实现的.和静态存 储分配相反,在栈式存储方案中,程序对数据区的需求在编译时是完全未知的,只有到运行的时候才能够知道,但是规定在运行中进入一个程序模块时,必须知道该 程序模块所需的数据区大小才能够为其分配内存.和我们在数据结构所熟知的栈一样,栈式存储分配按照先进后出的原则进行分配

　静态存储分配要求在编译时能知道所有变量的存储要求,栈式存储分配要求在过程的入口 处必须知道所有的存储要求,而堆式存储分配则专门负责在编译时或运行时模块入口处都无法确定存储要求的数据结构的内存分配。(各分配策略的特点)比如可变长度串和对象实例.堆:由大片的可利用块或空闲块组成,堆中的内存可以按照任意顺序分配和释放.

   如图：

      

                                                                        图一

     静态存储分配:方法区及运行时常量池    栈式存储分配:虚拟机栈、本地方法栈      堆式存储分配:堆

（２）堆和栈的比较

　　下面撇开静态存储分配,集中比较堆和栈:

　从堆和栈的功能和作用来通俗的比较, 堆主要用来存放对象的，栈主要是用来执行程序的 .而这种不同又主要是由于堆和栈的特点决定的:

   在编程中，例如C/C++中，所有的方法调用都是通过栈来进行的,所有的局部变量,形式参数都是从栈中分配内存空间的。实际上也不是什么分配,只是从栈顶 向上用就行,就好像工厂中的传送带(conveyor belt)一样,Stack Pointer会自动指引你到放东西的位置,你所要做的只是把东西放下来就行.退出函数的时候，修改栈指针就可以把栈中的内容销毁.这样的模式速度最快, 当然要用来运行程序了(在汇编中即是CS:IP控制主程序运行).需要注意的是,在分配的时候,比如为一个即将要调用的程序模块分配数据区时,应事先知道这个数据区的大小,也就说是虽然分配是在程 序运行时进行的,但是分配的大小多少是确定的,不变的,而这个"大小多少"是在编译时确定的,不是在运行时.

   堆是应用程序在运行的时候请求操作系统分配给自己内存，由于从操作系统管理的内存分配,所以在分配和销毁时都要占用时间，因此用堆的效率非常低.但是堆的 优点在于,编译器不必知道要从堆里分配多少存储空间，也不必知道存储的数据要在堆里停留多长的时间,因此,用堆保存数据时会得到更大的灵活性。事实上,面 向对象的多态性,堆内存分配是必不可少的,因为多态变量所需的存储空间只有在运行时创建了对象之后才能确定.在C++中，要求创建一个对象时，只需用 new命令编制相关的代码即可。执行这些代码时，会在堆里自动进行数据的保存.当然，为达到这种灵活性，必然会付出一定的代价:在堆里分配存储空间时会花 掉更长的时间！

  （３）JVM中的堆和栈

　　JVM是基于堆栈的虚拟机.JVM为每个新创建的线程都分配一个堆栈.也就是说,对于一个Java程序来说，它的运行就是通过对堆栈的操作来完成的。堆栈以帧为单位保存线程的状态。JVM对堆栈只进行两种操作:以帧为单位的压栈和出栈操作。

  我们知道,某个线程正在执行的方法称为此线程的当前方法.我们可能不知道,当前方法使用的帧称为当前帧。当线程激活一个Java方法,JVM就会在线程的 Java堆栈里新压入一个帧。这个帧自然成为了当前帧.在此方法执行期间,这个帧将用来保存参数,局部变量,中间计算过程和其他数据.这个帧在这里和编译原理中的活动纪录的概念是差不多的.

  从Java的这种分配机制来看,堆栈又可以这样理解:堆栈(Stack)是操作系统在建立某个进程时或者线程(在支持多线程的操作系统中是线程)为这个线程建立的存储区域，该区域具有先进后出(可以将堆栈理解为数据结构中的栈)的特性。

   每一个Java应用都唯一对应一个JVM实例，每一个实例唯一对应一个堆。应用程序在运行中所创建的所有类实例或数组都放在这个堆中,并由应用所有的线程 共享.跟C/C++不同，Java中分配堆内存是自动初始化的。Java中所有对象的存储空间都是在堆中分配的，但是这个对象的引用却是在堆栈中分配,也 就是说在建立一个对象时从两个地方都分配内存，在堆中分配的内存实际建立这个对象，而在堆栈中分配的内存只是一个指向这个堆对象的指针(引用)而已。

   例如: 先建立一个Class名为Person;再实例化出一个名为person的对象,代码:

         class Person{

            int age;

            String name；

         }

         Person preson = new Person();

         在这个实例化的过程中person变量是在栈中分配内存，而实例化出来的Person对象却是在堆中;并且person(存储的是地址)指向Person;

堆与栈的补充比较：

JAVA堆与栈都是用来存放数据的，那么他们之间到底有什么差异呢？既然栈也能存放数据，为什么还要设计堆呢？

1.从存放数据的角度:

  前面我们已经说明:

     栈中存放的是基本类型的变量or引用类型的变量,堆中存放的是对象or数组对象.

     在栈中，引用变量的大小为32位，基本类型为1-8个字节。但是对象的大小和数组的大小是动态的，这也决定了堆中数据的动态性，因为它是在运行时动态分配内存的，生存期也不必在编译时确定，Java 的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据

2.从数据共享的角度:

    1).在单个线程类，栈中的数据可共享

    例如我们定义：

Java代码

    int a=3;

    int b=3;

    编 译器先处理int a = 3；首先它会在栈中创建一个变量为a 的引用，然后查找栈中是否有3 这个值，如果没找到，就将3 存放进来，然后将a 指向3。接着处理int b = 3；在创建完b 的引用变量后，因为在栈中已经有3这个值，便将b 直接指向3。这样，就出现了a 与b 同时均指向3的情况。

    而如果我们定义：

Java代码

    Integer a=new Integer(3);//(1) 

    Integer b=new Integer(3);//(2)

   这个时候执行过程为：在执行(1)时，首先在栈中创建一个变量a，然后在堆内存中实例化一个对象，并且将变量a指向这个实例化的对象。在执行(2)时，过程类似，此时，在堆内存中，会有两个Integer类型的对象。

    2).在进程的各个线程之间，数据的共享通过堆来实现

    例：那么，在多线程开发中，我们的数据共享又是怎么实现的呢？

  如图所示，堆中的数据是所有线程栈所共享的，我们可以通过参数传递，将一个堆中的数据传入各个栈的工作内存中，从而实现多个线程间的数据共享（多个进程间的数据共享则需要通过网络传输了。）

3.从程序设计的的角度:

   从软件设计的角度看，JVM栈代表了处理逻辑，而JVM堆代表了数据。这样分开，使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。

4.值传递和引用传递的真相

  有了以上关于栈和堆的种种了解后，我们很容易就可以知道值传递和引用传递的真相：

      1.程序运行永远都是在JVM栈中进行的，因而参数传递时，只存在传递基本类型和对象引用的问题。不会直接传对象本身。

   但是传引用的错觉是如何造成的呢?

    在运行JVM栈中，基本类型和引用的处理是一样的，都是传值，所以，如果是传引用的方法调用，也同时可以理解为“传引用值”的传值调用，即引用的处理跟基本类型是完全一样的。

    但是当进入被调用方法时，被传递的这个引用的值，被程序解释(或者查找)到JVM堆中的对象，这个时候才对应到真正的对象。

   如果此时进行修改，修改的是引用对应的对象，而不是引用本身，即：修改的是JVM堆中的数据。所以这个修改是可以保持的了。