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  • Java堆、栈和常量池

    1,对于栈和常量池中的对象可以共享,对于堆中的对象不可以共享。栈中的数据大小和生命周期是可以确定的,当没有引用指向数据时,这个数据就会消失。堆中的对象的由垃圾回收器负责回收,因此大小和生命周期不需要确定,具有很大的灵活性。
    对于字符串:其对象的引用都是存储在栈中的,如果是编译期已经创建好(直接用双引号定义的)的就存储在常量池中,如果是运行期(new出来的)才能确定的就存储在堆中。对于equals相等的字符串,在常量池中永远只有一份,在堆中有多份。
    如以下代码:
    Java代码
    String s1 = "china";
    String s2 = "china";
    String s3 = "china";
    String ss1 = new String("china");
    String ss2 = new String("china");
    String ss3 = new String("china");
    对于通过 new 产生一个字符串(假设为 ”china” )时,会先去常量池中查找是否已经有了 ”china” 对象,如果没有则在常量池中创建一个此字符串对象,然后堆中再创建一个常量池中此 ”china” 对象的拷贝对象。这也就是有道面试题: String s = new String(“xyz”); 产生几个对象?一个或两个,如果常量池中原来没有 ”xyz”, 就是两个。
    对于基础类型的变量和常量:变量和引用存储在栈中,常量存储在常量池中。
    对于成员变量和局部变量:成员变量就是方法外部,类的内部定义的变量;局部变量就是方法或语句块内部定义的变量。局部变量必须初始化。成员变量虚拟机会自动赋予默认值。
    形式参数是局部变量,局部变量的数据存在于栈内存中。栈内存中的局部变量随着方法的消失而消失。成员变量存储在堆中的对象里面,由垃圾回收器负责回收。

    2. 栈的优势是,存取速度比堆要快,仅次于直接位于CPU中的寄存器。但缺点是,存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的,缺乏灵活性。另外,栈数据可以共享。堆的优势是可以动态地分配内存大小,生存期也不必事先告诉编译器,Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。但缺点是,由于要在运行时动态分配内存,存取速度较慢。

    3. Java中的数据类型有两种。
    一种是基本类型(primitive types), 共有8种,即byte, short , int, long, float, double, boolean, char(注意,并没有string的基本类型)。这种类型的定义是通过诸如int a = 3; long b = 255L;的形式来定义的,称为自动变量。值得注意的是,自动变量存的是字面值,不是类的实例,即不是类的引用,这里并没有类的存在。如int a = 3; 这里的a是一个指向int类型的引用,指向3这个字面值。这些字面值的数据,由于大小可知,生存期可知(这些字面值固定定义在某个程序块里面,程序块退出后,字段值就消失了),出于追求速度的原因,就存在于栈中。
    另外,栈有一个很重要的特殊性,就是存在栈中的数据可以共享。假设我们同时定义
    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,然后查找有没有字面值为3的地址,没找到,就开辟一个存放3这个字面值的地址,然后将a指向3的地址。接着处理int b = 3;在创建完b的引用变量后,由于在栈中已经有3这个字面值,便将b直接指向3的地址。这样,就出现了a与b同时均指向3的情况。
    特别注意的是,这种字面值的引用与类对象的引用不同。假定两个类对象的引用同时指向一个对象,如果一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态,那么另一个对象引用变量也即刻反映出这个变化。相反,通过字面值的引用来修改其值,不会导致另一个指向此字面值的引用的值也跟着改变的情况。如上例,我们定义完a与 b的值后,再令a=4;那么,b不会等于4,还是等于3。在编译器内部,遇到a=4;时,它就会重新搜索栈中是否有4的字面值,如果没有,重新开辟地址存放4的值;如果已经有了,则直接将a指向这个地址。因此a值的改变不会影响到b的值。
    另一种是包装类数据,如Integer, String, Double等将相应的基本数据类型包装起来的类。这些类数据全部存在于堆中,Java用new()语句来显示地告诉编译器,在运行时才根据需要动态创建,因此比较灵活,但缺点是要占用更多的时间。
    举例如下:
    Java代码
    int a1=1;
    int b1=1;
    int c1=2;
    int d1=a1+b1;
    Integer a = 1;
    Integer b = 2;
    Integer c = 3;
    Integer d = 3;
    Integer e = 321;
    Integer f = 321;
    Long g = 3L;
    System.out.println(a1==b1); //true 结果1
    System.out.println(c1==d1); //true 结果2
    System.out.println(c==d); //true 结果3
    System.out.println(e==f); //false 结果4
    分析:结果1:a1==b1如上面所述,会在栈中开辟存储空间存放数据。
    结果2:首先它会在栈中创建一个变量为c1的引用,然后查找有没有字面值为2的地址,没找到,就开辟一个存放2这个字面值的地址,然后将c1指向2的地址,d1为两个字面值相加也为2,由于在栈中已经有2这个字面值,便将d1直接指向2的地址。这样,就出现了c1与d1同时均指向3的情况。
    在分析下面结果以前让我们先对Java自动拆箱和装箱做个了解:在自动装箱时,把int变成Integer的时候,是有规则的,当你的int的值在-128-IntegerCache.high(127) 时,返回的不是一个新new出来的Integer对象,而是一个已经缓存在堆中的Integer对象,(我们可以这样理解,系统已经把-128到127之间的Integer缓存到一个Integer数组中去了,如果你要把一个int变成一个Integer对象,首先去缓存中找,找到的话直接返回引用给你就行了,不必再新new一个),如果不在-128-IntegerCache.high(127) 时会返回一个新new出来的Integer对象。
    结果3:由于3是在范围内所以是从缓存中取数据的,c和d指向同一个对象,结果为true;
    结果4:由于321不是在范围内所以不是从缓存中取数据的而是单独有new对象,e和f并没有指向同一个对象,结果为false;

    4. String是一个特殊的包装类数据。即可以用String str = new String("abc");的形式来创建,也可以用String str = "abc";的形式来创建(作为对比,在JDK 5.0之前,你从未见过Integer i = 3;的表达式,因为类与字面值是不能通用的,除了String。而在JDK 5.0中,这种表达式是可以的!因为编译器在后台进行Integer i = new Integer(3)的转换)。

    4(1)String str = "abc"创建对象的过程
    1 首先在常量池中查找是否存在内容为"abc"字符串对象
    2 如果不存在则在常量池中创建"abc",并让str引用该对象
    3 如果存在则直接让str引用该对象

    至于"abc"是怎么保存,保存在哪?常量池属于类信息的一部分,而类信息反映到JVM内存模型中是对应存在于JVM内存模型的方法区,也就是说这个类信息中的常量池概念是存在于在方法区中,而方法区是在JVM内存模型中的堆中由JVM来分配的,所以"abc"可以说存在于堆中(而有些资料,为了把方法区的堆区别于JVM的堆)。一般这种情况下,"abc"在编译时就被写入字节码中,所以class被加载时,JVM就为"abc"在常量池中分配内存,所以和静态区差不多。

    4(2)String str = new String("abc")创建实例的过程
    1 首先在堆中(不是常量池)创建一个指定的对象"abc",并让str引用指向该对象
    2 在字符串常量池中查看,是否存在内容为"abc"字符串对象
    3 若存在,则将new出来的字符串对象与字符串常量池中的对象联系起来
    4 若不存在,则在字符串常量池中创建一个内容为"abc"的字符串对象,并将堆中的对象与之联系起来
    intern()方法可以返回该字符串在常量池中的对象的引用,可以通过下面代码简单的测试
    Java代码
    String str1 = "abc";
    String str2 = new String("abc").intern();
    System.out.println(str1==str2); //true

    一个初始为空的字符串池,它由类String私有地维护。
    当调用intern()方法时,如果池已经包含一个等于此String对象的字符串(用 equals(Object) 方法确定),则返回池中的字符串。否则,将此String对象添加到池中,并返回此String对象的引用。
    它遵循以下规则:对于任意两个字符串s和t,当且仅当s.equals(t)为true 时,s.intern() == t.intern()才为true。
    所以String str1 = "abc",str1引用的是常量池(方法区)的对象,而String str2 = new String("abc"),str2引用的是堆中的对象,所以内存地址不一样,但是内容一样,所以==为false,而equals是true.
    4(3)String str1 = "abc"; String str2 = "ab" + "c"; str1==str2是ture
    是因为String str2 = "ab" + "c"会查找常量池中时候存在内容为"abc"字符串对象,如存在则直接让str2引用该对象,显然String str1 = "abc"的时候,上面说了,会在常量池中创建"abc"对象,所以str1引用该对象,str2也引用该对象,所以str1==str2
    4(4)String str1 = "abc"; String str2 = "ab"; String str3 = str2 + "c"; str1==str3是false
    是因为String str3 = str2 + "c"涉及到变量(不全是常量)的相加,所以会生成新的对象,其内部实现是先new一个StringBuilder,然后append(str2); append("c");然后让str3引用toString()返回的对象

    4(5)String str1 = "abc"; String str2 = "abc"; System.out.println(str1==str2); //true
    注意,我们这里并不用str1.equals(str2);的方式,因为这将比较两个字符串的值是否相等。==号,根据JDK的说明,只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。而我们在这里要看的是,str1与str2是否都指向了同一个对象。
    结果说明,JVM创建了两个引用str1和str2,但只创建了一个对象,而且两个引用都指向了这个对象。
    4(6)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 这个对象的引用直接指向str1所指向的对象(注意,str3并没有创建新对象)。当str1改完其值后,再创建一个String的引用str4,并指向因str1修改值而创建的新的对象。可以发现,这回str4也没有创建新的对象,从而再次实现栈中数据的共享。
    4(7)我们再接着看以下的代码。
    String str1 = new String("abc");
    String str2 = "abc";
    System.out.println(str1==str2); //false
    创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。
    String str1 = new String("abc");
    String str2 = new String("abc");
    System.out.println(str1==str2); //false
    创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。
    以上两段代码说明,只要是用new()来新建对象的,都会在堆中创建,而且其字符串是单独存值的,即使与栈中的数据相同,也不会与栈中的数据共享。
    5. 数据类型包装类的值不可修改。不仅仅是String类的值不可修改,所有的数据类型包装类都不能更改其内部的值。
    6. 结论与建议:
    (1) 我们在使用诸如String str = "abc";的格式定义类时,总是想当然地认为,我们创建了String类的对象str。担心陷阱!对象可能并没有被创建!唯一可以肯定的是,指向 String类的引用被创建了。至于这个引用到底是否指向了一个新的对象,必须根据上下文来考虑,除非你通过new()方法来显要地创建一个新的对象。因此,更为准确的说法是,我们创建了一个指向String类的对象的引用变量str,这个对象引用变量指向了某个值为"abc"的String类。清醒地认识到这一点对排除程序中难以发现的bug是很有帮助的。
    (2)使用String str = "abc";的方式,可以在一定程度上提高程序的运行速度,因为JVM会自动根据栈中数据的实际情况来决定是否有必要创建新对象。而对于String str = new String("abc");的代码,则一概在堆中创建新对象,而不管其字符串值是否相等,是否有必要创建新对象,从而加重了程序的负担。这个思想应该是享元模式的思想,但JDK的内部在这里实现是否应用了这个模式,不得而知。
    (3)当比较包装类里面的数值是否相等时,用equals()方法;当测试两个包装类的引用是否指向同一个对象时,用==。
    (4)由于String类的immutable性质,当String变量需要经常变换其值时,应该考虑使用StringBuffer类,以提高程序效率

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