java jvm中堆栈方法区详解 jvm 堆栈分析

目录

1 基本概念

2 堆栈概念

2.1 Java 栈（Stack）

2.2 堆（Heap）

2.3 堆 VS 栈

3 JVM堆栈分析

3.1 堆栈方法区

3.2 堆栈过程

3.3 堆栈分析

4 实例分析

4.1 创建类

4.2 代码分析

4.3 String的处理

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1 基本概念

程序中所有的方法、变量、常量、实例、静态存储都是由JVM在内存中进行分配的。

1.    寄存器：JVM中运行最快的，JVM内部的虚拟的存储器和CPU有关，我们无法控制。

2.    堆栈（也就是平时所说的栈stack）：用来存放基本数据类型和引用数据类型的实例的（也就是实例对象的在堆中的首地址，Person p = new Person; p存贮在堆栈中,值为@23651dff。还有就是堆栈是线程独享的。每一个线程都有自己的线程栈。

3.    堆（也叫做对内存或者对空间deap）：用来存放程序动态生成的数据。（new 出来的对象的实例存储在堆中，但是仅仅存储的是成员变量，也就是平时所说的实例变量，成员变量的值则存储在常量池中。成员方法是此类所实现实例共享的，并不是每一次new 都会创建成员方法。成员方法被存储在方法区，并不是存储在第一个创建的对象中，因为那样的话，第一个对象被回收，后面创建的对象也就没有方法引用了。静态变量也存储在方法区中。局部变量在栈内存中，JVM为每一个类分配一个栈帧，然后引用类型的局部变量指向堆内存中的地址），堆是内存中共享的区域，要考虑线程安全的问题。

4.    方法区（non-deap,（非堆）,在堆中为其分配的一部分内存）：里面存储的是一些。类类型加载的东西（也就是反射中的.class之后的Class），用于存储已经被虚拟机加载的类的信息、常量、静态变量等。与堆一样，是被线程共享的内存区域，要注意线程安全问题。

5.     常量池：上面已经说了，存储在堆中的。JVM会对每一个加载的类维护一个常量池。用于存储成员变量中的数值。（String str= “aa”, aa也是存储在String.class类中的常量池中的。Str只是在栈中作为aa的首地址）

6.    代码段：这个就是用来存储代码片段的

7.    数据段：这个是用来存储静态成员的，包括静态变量，静态常量（存储在这里面的常量池当中），静态方法，静态类。

最主要的区别就是栈内存用来存储局部变量和方法调用。
而堆内存用来存储Java中的对象。无论是成员变量，局部变量，还是类变量，它们指向的对象都存储在堆内存中。

2 堆栈概念

2.1 Java 栈（Stack）

1、Java 栈是与每一个线程关联的，JVM 在创建每一个线程的时候，会分配一定的栈空间给线程，Java Stack 为每个线程独享。

2、Java Stack 主要用来存储线程执行过程中的局部变量，方法的返回值，以及方法调用上下文（对象的引用）， 以帧为单位保存线程的运行状态。

3、栈空间随着线程的终止而释放。

4、StackOverflowError：如果在线程执行的过程中，栈空间不够用，那么 JVM 就会抛出此异常，这种情况一般是死递归造成的。

2.2 堆（Heap）

1、Java 中堆是由所有的线程共享的一块内存区域，堆用来保存各种 JAVA 对象，比如数组，线程对象等。

2、JVM 堆一般又可以分为以下三部分：

Perm（永久区）

1、Perm 代主要保存 class（类，包括接口等），method（方法），filed（属性） 等元数据，这部分的空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多的类，不过在涉及到热部署的应用服务器的时候，有时候会遇到 java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的错误，造成这个错误的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，类的 class 没有被卸载掉，这样就造成了大量的 class 对象保存在了 perm 中，这种情况下，一般重新启动应用服务器可以解决问题。

Tenured（年老代）

1、Tenured 区主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象，当一些对象在 Young 复制转移一定的次数以后，对象就会被转移到 Tenured 区，一般如果系统中用了 application 级别的缓存，缓存中的对象往往会被转移到这一区间。

Young（年轻代）

1、Young 区被划分为三部分，Eden（伊甸园） 区和两个大小严格相同的 Survivor（幸存者）区，其中 Survivor 区间中，某一时刻只有其中一个是被使用的，另外一个留做垃圾收集时复制对象用。

2、在 Young 区间变满的时候，minor GC 就会将存活的对象移到空闲的 Survivor 区间中，根据 JVM 的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于 Survivor 的对象将被移动到 Tenured 区间。

2.3 堆 VS 栈

1、Java 中用堆来存储对象，一旦堆中的对象被销毁，继续引用这个对象的话，就会出现著名的 NullPointerException。

2、栈没有堆灵活，但是更严格，是安全的，易于管理，因为只要上面的引用没有销毁，下面引用就一定还在，所以，在栈中，上面引用永远可以通过下面引用来查找对象，同时如果确认某一区间的内容会一起存在、一起销毁，也可以上下互相引用。

3、在大部分程序中，都是先定义的变量、引用先进栈，后定义的后进栈，同时，区块内部的变量、引用在进入区块时压栈，区块结束时出栈，理解了这种机制，就可以很方便地理解各种编程语言的作用域的概念了。

栈：存放变量引用的地方，以及基本数据类型

堆：存放实际对象的地方，即数组、线程对象等。

举例说明
int i = 7; 存在栈里边的，内容为 i = 7。

String s = "Hello World!"; 这个是存在另外一块静态代码区。

Apple app = new Apple(); app 引用存在栈里，引用地址对应对象 Apple 在堆里。

　这里我们主要关心栈，堆和常量池，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。 

3 JVM堆栈分析

3.1 堆栈方法区

JAVA的JVM的内存可分为3个区：堆(heap)、栈(stack)和方法区(method)

• 栈区:

1. 每个线程包含一个栈区，栈中只保存方法中（不包括对象的成员变量）的基础数据类型和自定义对象的引用(不是对象)，对象都存放在堆区中
2. 每个栈中的数据(原始类型和对象引用)都是私有的，其他栈不能访问。
3. 栈分为3个部分：基本类型变量区、执行环境上下文、操作指令区(存放操作指令)。

• 堆区:

4. 存储的全部是对象实例，每个对象都包含一个与之对应的class的信息(class信息存放在方法区)。
5. jvm只有一个堆区(heap)被所有线程共享，堆中不存放基本类型和对象引用，只存放对象本身，几乎所有的对象实例和数组都在堆中分配。

• 方法区:

6. 又叫静态区，跟堆一样，被所有的线程共享。它用于存储已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

3.2 堆栈过程

1.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。

2. 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.

3. 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的特性。

 4. 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。

3.3 堆栈分析

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，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int, short, long, byte, 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。

4 实例分析

首先需要明白以下几点：

1. 栈空间（stack），连续的存储空间，遵循后进先出的原则，用于存放局部变量。
2. 堆空间（heap），不连续的空间，用于存放new出的对象，或者说是类的实例。
3. 方法区（method），方法区在堆空间内，用于存放①类的代码信息；②静态变量和方法；③常量池（字符串敞亮等，具有共享机制）。
4. Java中除了基本数据类型，其他的均是引用类型，包括类、数组等等。
5. 数据类型的默认值
   基本数据类型默认值：
   数值型：0
   浮点型：0.0
   布尔型：false
   字符型：\u0000
   引用类型：null
6. 变量初始化
   成员变量可不初始化，系统会自动初始化；
   局部变量必须由程序员显式初始化，系统不会自动初始化。

4.1 创建类

分别是Student、Computer、Test，代码如下：

public class Student {
	int score;
	int age;
	String name;
	Computer computer;
	public void study() {
		System.out.println("studying...");
	}
}

public class Computer {
	int price;
	String brand;
}

public class Test {

	public static void main(String[] args) {
		Student stu = new Student();
		stu.name = "xiaoming";
		stu.age = 10;
		stu.study();
		Computer c = new Computer();
		c.brand = "Hasse";
		System.out.println(c.brand);
		stu.computer = c;
		System.out.println(stu.computer.brand);
//		System.out.println("----------------------------------------");
//
//		c.brand = "Dell";
//
//		System.out.println(c.brand);
//		System.out.println(stu.computer.brand);
//
//		System.out.println(stu.computer.brand == c.brand);
	}
}

4.2 代码分析

我们知道，程序的入口是main()，因而从main方法从上到下、从左到右进行分析。

Student stu = new Student();

①首先，Java虚拟机（JVM）去方法区寻找是否有Test类的代码信息，如果存在，直接调用。如果没有，通过类加载器（ClassLoader）把.class字节码加载到内存中，并把静态变量和方法、常量池加载（“xiaoming”、“Hasse”）。
②走到Student，以同样的逻辑对Student类进行加载；静态成员；常量池（“studying”）。
③走到stu，stu在main方法内部，因而是局部变量，存放在栈空间中。
④走到new Student，new出的对象（实例），存放在堆空间中，以方法区的类信息为模板创建实例。
⑤‘’=‘’赋值操作，把new Student的地址告诉stu变量，stu通过四字节的地址（十六进制），引用该实例。
如下图：

stu.name = “xiaoming”;

⑥stu通过引用new Student实例的name属性，该name属性通过地址指向常量池的"xiaoming"敞亮。

stu.age = 10;

⑦s实例的age属性是基本数据类型，基本数据类型直接赋值。

stu.study();

⑧调用实例的方法时，并不会在实例对象中生成一个新的方法，而是通过地址指向方法区中类信息的方法。

⑥⑦⑧的过程如下图：

Computer c = new Computer();

同stu变量的生成过程。

c.brand = “Hasse”;

同stu.name = "xiaoming"过程。

stu.computer = c;

⑨把c对象对Computer实例的引用赋值给Student实例的computer属性。亦即：该Student实例的computer属性指向该Computer类的实例。
如下图：

4.3 String的处理

 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)。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。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。

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：String str；
　　(2)在栈中查找有没有存放值为"abc"的地址，如果没有，则开辟一个存放字面值为"abc"的地址，接着创建一个新的String类的对象o，并将 o 的字符串值指向这个地址，而且在栈中这个地址旁边记下这个引用的对象o。如果已经有了值为"abc"的地址，则查找对象o，并返回o的地址。
　　(3)将str指向对象o的地址。
　　值得注意的是，一般String类中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；这种场合下，其字符串值却是保存了一个指向存在栈中数据的引用！
  
　　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。

　　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 = "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。

　　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。

　　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。