變量在Java棧、堆內存中的運用管理分析

陳益　楊曉艷

摘要 初次接觸面向對象程序設計，不易弄清楚各種類型變量在內存中是如何分配和管理的。以Java為例，主要介紹基本數據類型一維數組內存模型、引用數據類型數組內存模型、方法調用時變量的內存模型、內部類的內存模型的活動空間。了解對象的屬性和行為在內存中的位置和彼此間的關系，有助于更好地理解程序的編譯原理和運行機制。

關鍵詞 JVM；內存模型；基本類型；引用類型

DOI DOI： 10.11907/rjdk.162172

中圖分類號： TP301

文獻標識碼： A 文章編號 文章編號： 16727800（2017）002002903

0 引言

對于不同的平臺，內存模型通常有所差異。Java虛擬機、Java Virtual Machine（簡稱JVM）的內存模型規范是統一的。Java內存分配時涉及到的區域有：①棧內存（簡稱棧）：一般用來存放基本類型的數據和對象的引用，不包括對象自身；②堆內存（簡稱堆）：用來存放由new關鍵字創建的對象；③常量池：用來存放常量；④靜態域：用來存放靜態成員；⑤非RAM存儲：一般指硬盤等永久存儲空間；⑥寄存器：由編譯器根據實際需要分配內存區域，用戶在編程中無法控制它。

Java中的變量包括基本類型和引用類型變量兩大類，當用戶在一個類中定義了一個變量，JVM在棧內存中為此變量分配空間大小，對象調用完變量后，Java虛擬機將釋放掉先前為該變量分配的空間[1]。方法中的基本類型變量和對象引用變量，都在方法的棧中被分配空間。棧中主要存放一些基本類型的變量數據和對象引用。也即當用戶在Java中聲明一個變量時，則在棧中為其分配了一塊空間，用來存放變量的值，變量的值可以是數值、false、null等。直接被賦值為數值或false的變量，即是通常Java中規定的8種基本數據類型變量，包括：boolean、byte、char、int、short、long、float、double，它們的值則放在棧中提供給用戶使用；值為null的變量是引用類型的變量，在Java中凡是聲明為數組、類（對象）、字符串、接口等類型的變量都是引用類型變量，在聲明時其默認值也存放在棧中。

由于引用類型變量在聲明時默認值為null，所以要和存放在堆中的對象產生一定聯系，以獲取該對象的首地址信息來替換聲明時的null，這種聯系被形象地稱為指向。建立了堆棧之間的指向，棧中的變量才有了真正的實體，才能被使用。Java中堆棧之間的指向類似于C語音中的指針。Java中的堆是一個運行時的數據區，用來存放由new關鍵字創建的對象和數組，它不需要程序代碼來顯式地釋放內存空間，而是由堆動態地分配內存大小，由JVM虛擬機的自動垃圾回收器來管理那些不再被引用的內存。本文主要介紹引用數據類型變量在內存中的分配狀況。

1 基本數據類型一維數組內存模型

聲明一個一維整形數組變量n，比如int []n，則n的值默認為null，存放在棧中，和其它內存沒有任何交集，內存模型如圖1所示。要想使用n數組變量，則應該創建對象給數組分配大小，給n變量賦予實際意義的值，所賦的值是該數組首元素的地址。在Java中聲明一維整型數組后，由new關鍵字創建對象并為其分配空間，聲明變量和創建對象通常由一步完成。如int []n=new int[3]；n的值為數組首元素地址，即n指向數組的首元素，具體做法是將數組首元素的地址放入n變量中，替換n的初始值null。n中有3個能操作的變量，可以給3個變量作賦值操作，如同給任意一個簡單變量賦值操作一樣。如果用戶沒有給3個數組元素初始化，因為3個元素的類型都是整型（數值型），在堆內存中會默認3個元素的值都為0。

內存模型如圖2所示。如n不再指向數組的首元素，即當賦值號兩邊的操作對象之間沒有任何聯系時，n的值再次為null，內存模型如圖3所示。沒有被任何引用類型變量指向的對象是一個匿名對象。

2 引用數據類型數組內存模型

2.1 對象數組類型

聲明一個引用類型的數組變量stu，數組的類型為對象引用型，如Student []stu；與基本整型的一維數組相比，雖然都是引用類型，但數組的類型是對象型，不過值都是一樣為null，對象數組值為null的內存模型和基本類型數組的模型一樣，如圖1所示。用new分配3個長度的空間，Student []stu = new Student[3]，因為3個數組元素都為對象型的變量，初始默認值為null，還不能使用，內存模型如圖4所示。要想使用數組中的每個數組元素，需要分別給各個數組元素補充完整信息，如圖5所示。給數組的首元素賦值，有兩個屬性分為姓名“lisi”和年齡“18”，即可使用首元素。

2.2 字符串類型

圖6為字符串對象模型，當用戶聲明一個字符串類型引用變量時，如String s1，變量s在棧內存中被分配空間，其值為null，系統只為變量分配了引用空間，還沒有創建具體對象。當new關鍵字調用構造方法后才創建對象，并將對象的引用賦值給字符串引用類型的變量s1，兩步工作可以合并為一步完成，如s2字符串引用類型變量聲明所示[2]。代碼段如下所示：

class StringDemo

{

public static void main（String args[]）

{ Stirng s1；

s1=new Stiring（“def”）；

String s2=new String（“def”）；

if（s1==s2） System.out.println（“s1==s2”）；

else System.out.println（“s1！=s2”）；

if（s1.equals（s2）） System.out.println（“s1 equals s2”）；

else System.out.println（“s1 not equals s2”）；

}

}

先分析源程序的運行結果，程序中兩個if語句描述了字符串等號“= =”和equals方法的功能。String s1=new String（"def"）； String s2=new String（"def"），由字符串String類產生了兩個字符串對象，分別為s1和s2。第一個if語句if（s1= =s2）的結果是s1！=s2，第二個if語句if（s1.equals（s2））的結果是s1 equals s2。分析結果產生的根源要從內存模型來解釋。s1和s2是兩個引用（字符串）類型的變量，當兩個字符串引用類型的變量作“= =”比較時，表面上是比較兩個變量的值，但該值不同于簡單變量的數值，引用類型變量的值實質上指的是地址，它們分別為兩個不同的字符串常量，因此其地址肯定不相等。但兩個變量表示的字符串內容相等，都是“def”，采用equals方法的作用是比較兩個變量代表的內容，如圖6所示。

另外，程序中用來給變量賦值的常量（如數值、字符串等）都位于常量池中。常量池是由編譯器確定被保存在.class文件中的數據信息，里面除了基本數據類型和引用類型的常量外，還包含一些文本形式的符號引用，比如：類、變量、方法及接口的名稱和描述符。對于String類型的常量，它的值存放在常量池中。在JVM中，常量池在內存中是以表的形式存在。對于String類型，有一張固定長度的常量字符串信息表，專門負責存儲文字字符串值，而不存儲符號引用。位于.class字節碼文件中的常量，在運行期間由JVM自行裝載，還具有擴充功能。String類中的intern即是擴充常量池的一個方法。

3 方法調用時變量內存模型

圖7為方法調用模型1，圖8為方法調用模型2，自定義方法中有無參數（方法中的參數稱為形式參數，簡稱形參）都可以。方法中若有參數將帶來程序的靈活性，參數類型由用戶根據具體需要設定。基本數據類型變量之間的值傳遞是簡單的單向傳遞。JVM中傳遞各種類型變量值的方法主要分為3種：①方法的參數為簡單變量，進行單向值傳遞；②方法的參數為數組變量，進行地址傳遞；③方法的參數為對象變量，進行地址傳遞。在如下代碼段中，fn1方法有3個重載的方法，參數分別為整型變量、數組變量和對象變量，試分析程序的運行結果。

class MethodDemo

{ public static void fn1（int x，int y）

{ x=x+y； y=x-y； x=x-y； }

public static void fn2（int[] n）

{ n[0]=n[0]+n[1]； n[1]=n [0]-n[1]； n[0]=n[0]-n[1]； }

public static void fn3（Test p）

{ p.x=p.x+p.y； p.y=p.x-p.y； p.x=p.x-p.y； }

public static void main（String[] args）

{ int x=5，y=7； fn1（x，y）； System.out.println（"x="+x+”，”+"y="+y）；

int[] n=new int[]{5，7}； fn2（n）；

System.out.println（"x="+n[0]+"，"+"y="+n[1]）；

Test p=new Test（）； p.x=5； p.y=7； fn3（p）；

System.out.println（"x="+x+”，”+"y="+y）；？}

}

class Test

{ int x，y；

public String toString（）

{ return "x="+x+"，"+"y="+y；？ }

}

由運行結果可知，在Java中，對于方法fn1，簡單變量的值傳遞與其它語言中簡單變量的值傳遞原理一致，都是單向傳遞，傳遞的是值本身，方法調用過程中不會改變原有值，并且JVM中所有的簡單變量都保存在棧內存中，與堆內存沒有聯系，具體如圖7所示；對于方法fn2和fn3，當數組或對象作為方法的參數時，因為傳遞的是地址，地址改變時，原來的值也跟隨改變，具體如圖8所示。

4 內部類內存模型

類的成員除變量和方法外，還可以有另一個成員內部類。內部類（也稱Inner Class）指在一個類中定義的另外一個類。內部類和外部類的定義方式一樣，其擁有自己獨立的屬性和方法，并將它們封裝在一個類中。內部類擁有和方法一樣的訪問權限，可以聲明為public、protected、default和private。內部類將邏輯上相關的一組類組織起來，由外部類（OuterDemo Class）來控制其可見性[3]。代碼如下所示：

class OuerDemo

{

private int n=50；

class Inner

{ void fn2（）

{ System.out.println（n）； }

}

void fn2（）

{ Inner in=new Inner（）；

in.fn2（）；

}

}

class Test

{

public static void main（String args[]）

{

OuterDemo out=new OuterDemo（）；

out.fn2（）；

}

}

編譯后將產生3個.class文件，一個是含有main方法的Test類的Test.class，一個是外部類的OuterDemo.class文件，還有一個是內部類的OuterDemo$ Inner.class文件，運行結果打印輸出為50。程序中將成員變量n的訪問權限設置為私有的（private），檢驗外部類的私有變量n能夠被內部類Inner中的fn2（ ）方法所訪問。如果私有變量都能被訪問，外部類中其它的訪問權限，共有的、受保護的和友好的則也能被內部類的成員訪問。主要當創建一個內部類對象時，它與外部類對象之間便產生了一種聯系，這種聯系是通過一個特殊變量this搭建的，從而使內部類對象能隨意訪問外部類中的所有成員。具體內存模型如圖9所示。

5 結語

JVM定義了各種變量的內存模型狀態，每個變量都在自己的內存空間中活動，同時又與其它內存建立聯系。Java自動管理棧內存和堆內存，程序員不能直接設置棧內存或堆內存，棧內存中放置基本類型、局部變量和引用變量的值。引用變量存放在棧內存中，對象內容根據創建方式而定，由編譯器事先創建好并存放在常量池中，程序運行時由new調用構造方法創建的對象，存放在堆內存中。 棧的優點是數據共享、存取速度快；缺點是數據大小與生存期必須是確定的，缺少靈活性。

堆內存放置new調用構造方法創建的對象。一旦在堆中產生數組或對象后，可以在棧中聲明一個特殊變量，變量的值等于數組或對象在堆內存中的首地址，棧里聲明的特殊變量則成了數組或對象的引用變量。其實，棧內存中的變量指向堆內存中的對象，可以被理解為JVM中的指針。由于堆內存分配是在程序運行時動態進行的，所以堆內存的存取速度相對于棧內存而言較慢。

String類表示一個字符串，在Java中所有的文字串，例如“abc”都是作為String類的實例來實現的。String類是Java中一個特殊的封裝類，它被聲明為final，用戶不能從String類派生出其它類，一個String類的對象是一個常量，創建之后值不能被改變。

參考文獻：

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[6] [美]BRUCE ECKEL.Java編程思想[M].第4版.陳昊鵬，譯.北京：機械工業出版社，2007.

[7] 聶芬.Java中堆與棧的內存分配[J].電腦學習，2010（6）：123124.

（責任編輯：杜能鋼）