java堆、栈、堆栈，常量池、队列

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先说一下栈和堆栈，我们听老一辈的程序员一般都会说堆栈，其实栈就是堆栈的意思，连着叫只是由于历史的原因。

博主04年学数据结构的时候，书上都是说的堆栈，FILO（先进后出），也经常拿堆栈和队列，FIFO（先进先出）这两种数据结构拿来作比较。

系统中的堆、栈 和 数据结构堆、栈

系统中的堆、栈和数据结构堆、栈不是一个概念。可以说系统中的堆、栈是真实的内存物理区，数据结构中的堆、栈是抽象的数据存储结构。

数据结构堆、栈

1. 栈：实际上就是满足后进先出的性质，是一种数据项按序排列的数据结构，只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。

 2. 堆：堆是一种完全二叉树或者近似完全二叉树，完全二叉树是效率很高的数据结构，像十分常用的排序算法、Dijkstra算法、Prim算法等都要用堆才能优化。

 堆排序（Heapsort）是指利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法。详见：十大经典排序算法

 系统方面的堆和栈

1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区（heap）— 是一个可动态申请的内存空间(其记录空闲内存空间的链表由操作系统维护)，在java中,所有使用new xxx()构造出来的对象都在堆中存储一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。

堆是全局的，堆栈是每个函数进入的时候分一小块，函数返回的时候就释放了，静态和全局变量，new得到的变量，都放在堆中，局部变量放在栈中，所以函数返回，局部变量就全没了。

我们今天重点讲的是Java里的堆和栈也就是系统方面的堆和栈。

Java里的堆、栈和常量池

1. 栈(stack)与堆(heap)都是Java用来在Ram中存放数据的地方。与C++不同，Java自动管理栈和堆，程序员不能直接地设置栈或堆。

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，详见第3点。

堆的优势是可以动态地分配内存大小，所有使用new xxx()构造出来的对象都在堆中存储，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. 常量池：存放字符串常量和基本类型常量（public static final）。

常量池的好处是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。

例如字符串常量池，在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。

（1）节省内存空间：常量池中所有相同的字符串常量被合并，只占用一个空间。

（2）节省运行时间：比较字符串时，==比equals()快。对于两个引用变量，只用==判断引用是否相等，也就可以判断实际值是否相等。

4. Java中的数据类型有两种。

一种是基本类型(primitive types), 共有8种，即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意，不包含String)。

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。

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

前者是规范的类的创建过程，即在Java中，一切都是对象，而对象是类的实例，全部通过new()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。

Java 中的有些类，如DateFormat类，可以通过该类的getInstance()方法来返回一个新创建的类，似乎违反了此原则。其实不然。该类运用了单 例模式来返回类的实例，只不过这个实例是在该类内部通过new()来创建的，而getInstance()向外部隐藏了此细节。

那为什么在String str = "abc"；中，并没有通过new()来创建实例，是不是违反了上述原则？其实没有。

5. 关于String str = "abc"的内部工作。Java内部将此语句转化为以下几个步骤：

(1) 先定义一个名为str的对String类的对象引用变量放入栈中。

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

为了更好地说明这个问题，我们可以通过以下的几个代码进行验证。

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地值是否相等==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。

 我们再来更进一步，将以上代码改成：

String str1 = "abc"; 
String str2 = "abc"; 
str1 = "bcd"; 
System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc 
System.out.println(str1==str2); //false 

这就是说，赋值的变化导致了类对象引用的变化，str1指向了另外一个新对象！而str2仍旧指向原来的对象。上例中，当我们将str1的值改为"bcd"时，JVM发现在栈中没有存放该值的地址，便开辟了这个地址，并创建了一个新的对象，其字符串的值指向这个地址。

事实上，String类被设计成为不可改变(immutable)的类。如果你要改变其值，可以，但JVM在运行时根据新值悄悄创建了一个新对象，然后将这个对象的地址返回给原来类的引用。这个创建过程虽说是完全自动进行的，但它毕竟占用了更多的时间。在对时间要求比较敏感的环境中，会带有一定的不良影响。

 再修改原来代码：

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。

 6. 我们再来看看 String str = new String("abc")创建过程

(1) 先定义一个名为str的对String类的对象引用变量放入栈中。

(2) 然后在堆中（不是常量池）创建一个指定的对象，并让str引用指向该对象。

(3) 在常量池中查找是否存在内容为"abc"字符串对象。
(4) 如果不存在，则在常量池中创建内容为"abc"的字符串对象，并将堆中的对象与之联系起来。
(5) 如果存在，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（即让那个特殊的成员变量value的指针指向它）

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。

 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。

这也就是有道面试题：String s = new String(“abc”);产生几个对象？答：一个或两个，如果常量池中原来没有”abc”,就是两个。

7. 基本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，所有的基本数据数据类型包装类都不能更改其内部的值。

8. String的intern()方法就是扩充常量池的一个方法；当一个String实例str调用intern()方法时，Java查找常量池中是否有相同Unicode的字符串常量，如果有，则返回其的引用，如果没有，则在常量池中增加一个Unicode等于str的字符串并返回它的引用；

String str1 = "abc";  
String str2 = new String("abc"); 
String str3 = str2.intern();

System.out.println( str1==str2 );  //false
System.out.println( str1==str3 );  //true

9. 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会自动根据常量池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。

申请响应

栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。

堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

申请限制

栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。

堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

 堆和栈的区别用比喻来看：

使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。

使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。

堆栈缓存方式

栈使用的是一级缓存， 他们通常都是被调用时处于存储空间中，调用完毕立即释放。

堆则是存放在二级缓存中，生命周期由虚拟机的垃圾回收算法来决定（并不是一旦成为孤儿对象就能被回收）。所以调用这些对象的速度要相对来得低一些。

在JAVA中，有六个不同的地方可以存储数据：

1. 寄存器（register）：这是最快的存储区，因为它位于不同于其他存储区的地方——处理器内部。但是寄存器的数量极其有限，所以寄存器由编译器根据需求进行分配。你不能直接控制，也不能在程序中感觉到寄存器存在的任何迹象。

2. 栈（stack）：存放基本类型的变量数据和对象的引用。位于通用RAM中，但通过它的“堆栈指针”可以从处理器哪里获得支持。堆栈指针若向下移动，则分配新的内存；若向上移动，则释放那些内存。这是一种快速有效的分配存储方法，仅次于寄存器。创建程序时候，JAVA编译器必须知道存储在堆栈内所有数据的确切大小和生命周期，因为它必须生成相应的代码，以便上下移动堆栈指针。这一约束限制了程序的灵活性。

3. 堆（heap）：一种通用性的内存池（也存在于RAM中），用于存放所有的JAVA对象。堆不同于堆栈的好处是：编译器不需要知道要从堆里分配多少存储区 域，也不必知道存储的数据在堆里存活多长时间。因此，在堆里分配存储有很大的灵活性。当你需要创建一个对象的时候，只需要new写一行简单的代码，当执行 这行代码时，会自动在堆里进行存储分配。当然，为这种灵活性必须要付出相应的代价，用堆进行存储分配比用堆栈进行存储存储需要更多的时间。

4. 静态存储（static storage）：这里的“静态”是指“在固定的位置”。静态存储里存放程序运行时一直存在的数据。你可用关键字static来标识一个对象的特定元素是静态的，但JAVA对象本身从来不会存放在静态存储空间里。

5. 常量存储（constant storage）：存放字符串常量和基本类型常量（public static final）。 常量值通常直接存放在程序代码内部，这样做是安全的，因为它们永远不会被改变。

6. 非RAM存储：硬盘等永久存储空间。如果数据完全存活于程序之外，那么它可以不受程序的任何控制，在程序没有运行时也可以存在。

就速度来说，有如下关系：
**寄存器 < 堆栈 < 堆 < 其他 **

 队列

队列：什么是队列？又该怎么理解呢？

①队列是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。

②队列中没有元素时，称为空队列。

③建立顺序队列结构必须为其静态分配或动态申请一片连续的存储空间，并设置两个指针进行管理。一个是队头指针front，它指向队头元素；另一个是队尾指针rear，它指向下一个入队元素的存储位置。

④队列采用的FIFO(first in first out)，新元素（等待进入队列的元素）总是被插入到链表的尾部，而读取的时候总是从链表的头部开始读取。每次读取一个元素，释放一个元素。所谓的动态创建，动态释放。因而也不存在溢出等问题。由于链表由结构体间接而成，遍历也方便。（先进先出）

 

参考网址：https://www.jianshu.com/p/e39ab6ff17c2

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