Java堆、棧和常量池以及相關String的詳細講解（經典中的經典）
博客分類： Java綜合
一：在JAVA中，有六個不同的地方可以存儲數據：
1. 寄存器（register）。 這是最快的存儲區，因爲它位於不同於其他存儲區的地方——處理器內部。但是寄存器的數量極其有限，所以寄存器由編譯器根據需求進行分配。你不能直接控制，也不能在程序中感覺到寄存器存在的任何跡象。
------最快的存儲區, 由編譯器根據需求進行分配,我們在程序中無法控制.
2. 堆棧（stack）。位於通用RAM中，但通過它的“堆棧指針”可以從處理器哪裏獲得支持。堆棧指針若向下移動，則分配新的內存；若向上移動，則釋放那些 內存。這是一種快速有效的分配存儲方法，僅次於寄存器。創建程序時候，JAVA編譯器必須知道存儲在堆棧內所有數據的確切大小和生命週期，因爲它必須生成 相應的代碼，以便上下移動堆棧指針。這一約束限制了程序的靈活性，所以雖然某些JAVA數據存儲在堆棧中——特別是對象引用，但是JAVA對象不存儲其 中。
------存放基本類型的變量數據和對象，數組的引用，但對象本身不存放在棧中，而是存放在堆（new 出來的對象）或者常量池中（字符串常量對象存放在常量池中）
3. 堆（heap）。一種通用性的內存池（也存在於RAM中），用於存放所以的JAVA對象。堆不同於堆棧的好處是：編譯器不需要知道要從堆裏分配多少存儲區 域，也不必知道存儲的數據在堆裏存活多長時間。因此，在堆裏分配存儲有很大的靈活性。當你需要創建一個對象的時候，只需要new寫一行簡單的代碼，當執行 這行代碼時，會自動在堆裏進行存儲分配。當然，爲這種靈活性必須要付出相應的代碼。用堆進行存儲分配比用堆棧進行存儲存儲需要更多的時間。
------存放所有new出來的對象。
4. 靜態存儲（static storage）。這裏的“靜態”是指“在固定的位置”。靜態存儲裏存放程序運行時一直存在的數據。你可用關鍵字static來標識一個對象的特定元素是靜態的，但JAVA對象本身從來不會存放在靜態存儲空間裏。
------存放靜態成員（static定義的）
5. 常量存儲（constant storage）。常量值通常直接存放在程序代碼內部，這樣做是安全的，因爲它們永遠不會被改變。有時，在嵌入式系統中，常量本身會和其他部分分割離開，所以在這種情況下，可以選擇將其放在ROM中
------存放字符串常量和基本類型常量（public static final）
6. 非RAM存儲。如果數據完全存活於程序之外，那麼它可以不受程序的任何控制，在程序沒有運行時也可以存在。
------硬盤等永久存儲空間 就速度來說，有如下關係：
寄存器 >堆棧 > 堆 > 其它
這裏我們主要關心棧，堆和常量池，對於棧和常量池中的對象可以共享，對於堆中的對象不可以共享。
棧中的數據大小和生命週期是可以確定的，當沒有引用指向數據時，這個數據就會消失。堆中的對象的由垃圾回收器負責回收，因此大小和生命週期不需要確定，具有很大的靈活性。
對於字符串：其對象的引用都是存儲在棧中的，如果是編譯期已經創建好(直接用雙引號定義的)的就存儲在常量池中，如果是運行期（new出來的）才能確定的就存儲在堆中。對於equals相等的字符串，在常量池中永遠只有一份，在堆中有多份。
如以下代碼： Java代碼
String s1 = "china";
String s2 = "china";
String s3 = "china";
String ss1 = new String("china");
String ss2 = new String("china");
String ss3 = new String("china");
這裏解釋一下，對於通過 new 產生一個字符串（假設爲 ”china” ）時，會先去常量池中查找是否已經有了 ”china” 對象，如果沒有則在常量池中創建一個此字符串對象，然後堆中再創建一個常量池中此 ”china” 對象的拷貝對象。
也就是有道面試題： String s = new String(“xyz”); 產生幾個對象？
一個或兩個。如果常量池中原來沒有 ”xyz”, 就是兩個。如果原來的常量池中存在“xyz”時，就是一個。
對於基礎類型的變量和常量：變量和引用存儲在棧中，常量存儲在常量池中。
如以下代碼： Java代碼
int i1 = 9;
int i2 = 9;
int i3 = 9;
public static final int INT1 = 9;
public static final int INT2 = 9;
public static final int INT3 = 9;
對於成員變量和局部變量：成員變量就是方法外部，類的內部定義的變量；
局部變量就是方法或語句塊內部定義的變量。局部變量必須初始化。 形式參數是局部變量，局部變量的數據存在於棧內存中。棧內存中的局部變量隨着方法的消失而消失。 成員變量存儲在堆中的對象裏面，由垃圾回收器負責回收。
如以下代碼： Java代碼
class BirthDate {
private int day;
private int month;
private int year;
public BirthDate(int d, int m, int y) {
day = d;
month = m;
year = y;
}
// 省略get,set方法………
}
public class Test{
public static void main(String args[]){
int date = 9;
Test test = new Test();
test.change(date);
BirthDate d1= new BirthDate(7,7,1970);
}
public void change1(int i){
i = 1234;
}
對於以上這段代碼，date爲局部變量，i,d,m,y都是形參爲局部變量，day，month，year爲成員變量。
下面分析一下代碼執行時候的變化：
1. main方法開始執行：int date = 9; date局部變量，基礎類型，引用和值都存在棧中。
2. Test test = new Test(); test爲對象引用，存在棧中，對象(new Test())存在堆中。
3. test.change(date); i爲局部變量，引用和值存在棧中。當方法change執行完成後，i就會從棧中消失。
4. BirthDate d1= new BirthDate(7,7,1970); d1 爲對象引用，存在棧中，對象(new BirthDate())存在堆中，其中d，m，y爲局部變量存儲在棧中，且它們的類型爲基礎類型，因此它們的數據也存儲在棧中。 day,month,year爲成員變量，它們存儲在堆中(new BirthDate()裏面)。當BirthDate構造方法執行完之後，d,m,y將從棧中消失。
5.main方法執行完之後，date變量，test，d1引用將從棧中消失，new Test(),new BirthDate()將等待垃圾回收。
Java堆、棧和常量池詳解（二）
1. 棧(stack)與堆(heap)都是Java用來在RAM中存放數據的地方。與C++不同，Java自動管理棧和堆，程序員不能直接地設置棧或堆。
2. 棧的優勢是，存取速度比堆要快，僅次於直接位於CPU中的寄存器。但缺點是，存在棧中的數據大小與生存期必須是確定的，缺乏靈活性。另外，棧數據可以共 享，詳見第3點。
堆的優勢是可以動態地分配內存大小，生存期也不必事先告訴編譯器，Java的垃圾收集器會自動收走這些不再使用的數據。但缺點是，由於要 在運行時動態分配內存，存取速度較慢。
3. Java中的數據類型有兩種。
一種是基本類型(primitive types), 共有8種，即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意，並沒有string的基本類型)。這種類型的定義是通過諸如int a = 3; long b = 255L;的形式來定義的，稱爲自動變量。值得注意的是，自動變量存的是字面值，不是類的實例，即不是類的引用，這裏並沒有類的存在。如int a = 3; 這裏的a是一個指向int類型的引用，指向3這個字面值。這些字面值的數據，由於大小可知，生存期可知(這些字面值固定定義在某個程序塊裏面，程序塊退出 後，字段值就消失了)，出於追求速度的原因，就存在於棧中。 另外，棧有一個很重要的特殊性，就是存在棧中的數據可以共享。假設我們同時定義 int a = 3; int b = 3； 編 譯器先處理int a = 3；首先它會在棧中創建一個變量爲a的引用，然後查找有沒有字面值爲3的地址，沒找到，就開闢一個存放3這個字面值的地址，然後將a指向3的地址。接着處 理int b = 3；在創建完b的引用變量後，由於在棧中已經有3這個字面值，便將b直接指向3的地址。這樣，就出現了a與b同時均指向3的情況。 特 別注意的是，這種字面值的引用與類對象的引用不同。假定兩個類對象的引用同時指向一個對象，如果一個對象引用變量修改了這個對象的內部狀態，那麼另一個對 象引用變量也即刻反映出這個變化。相反，通過字面值的引用來修改其值，不會導致另一個指向此字面值的引用的值也跟着改變的情況。如上例，我們定義完a與 b的值後，再令a=4；那麼，b不會等於4，還是等於3。在編譯器內部，遇到a=4；時，它就會重新搜索棧中是否有4的字面值，如果沒有，重新開闢地址存 放4的值；如果已經有了，則直接將a指向這個地址。因此a值的改變不會影響到b的值。
另一種是包裝類數據，如Integer, String, Double等將相應的基本數據類型包裝起來的類。這些類數據全部存在於堆中，Java用new()語句來顯示地告訴編譯器，在運行時才根據需要動態創建，因此比較靈活，但缺點是要佔用更多的時間。
舉例如下： Java代碼
public class Test {
public static void main(String[] args)
{
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 結果1
System.out.println(c1==d1); //true 結果2
System.out.println(c==d); //true 結果3
System.out.println(e==f); //false 結果4
}
}
分析：
結果1：a1==b1如上面所述,會在棧 中開闢存儲空間存放數據。
結果2：首先它會在棧 中創建一個變量爲c1的引用，然後查找有沒有字面值爲2的地址，沒找到，就開闢一個存放2這個字面值的地址，然後將c1指向2的地址,d1爲兩個字面值相加也爲2， 由於在棧中已經有2這個字面值，便將d1直接指向2的地址。這樣，就出現了c1與d1同時均指向3的情況。 在分析下面結果以前讓我們先對Java自動拆箱和裝箱做個了結：在自動裝箱時，把int變成Integer的時候，是有規則的，當你的int的值在-128-IntegerCache.high(127) 時，返回的不是一個新new出來的Integer對象，而是一個已經緩存在堆 中的Integer對象，（我們可以這樣理解，系統已經把-128到127之 間的Integer緩存到一個Integer數組中去了，如果你要把一個int變成一個Integer對象，首先去緩存中找，找到的話直接返回引用給你就 行了，不必再新new一個），如果不在-128-IntegerCache.high(127) 時會返回一個新new出來的Integer對象。
結果3：由於3是在範圍內所以是從緩存中取數據的，c和d指向同一個對象，結果爲true;
結果4：由於321不是在範圍內所以不是從緩存中取數據的而是單獨有new對象，e和f並沒有指向同一個對象，結果爲false;
4. String是一個特殊的包裝類數據。即可以用String str = new String("abc");的形式來創建，也可以用String str = "abc"；的形式來創建(作爲對比，在JDK 5.0之前，你從未見過Integer i = 3;的表達式，因爲類與字面值是不能通用的，除了String。而在JDK 5.0中，這種表達式是可以的！因爲編譯器在後臺進行Integer i = new Integer(3)的轉換)。前者是規範的類的創建過程，即在Java中，一切都是對象，而對象是類的實例，全部通過new()的形式來創建。Java 中的有些類，如DateFormat類，可以通過該類的getInstance()方法來返回一個新創建的類，似乎違反了此原則。其實不然。該類運用了單 例模式來返回類的實例，只不過這個實例是在該類內部通過new()來創建的，而getInstance()向外部隱藏了此細節。那爲什麼在String str = "abc"；中，並沒有通過new()來創建實例，是不是違反了上述原則？其實沒有。
4(1)String str = "abc"創建對象的過程 1 首先在常量池中查找是否存在內容爲"abc"字符串對象 2 如果不存在則在常量池中創建"abc"，並讓str引用該對象 3 如果存在則直接讓str引用該對象
至 於"abc"是怎麼保存，保存在哪？常量池屬於類信息的一部分，而類信息反映到JVM內存模型中是對應存在於JVM內存模型的方法區，也就是說這個類信息 中的常量池概念是存在於在方法區中，而方法區是在JVM內存模型中的堆中由JVM來分配的，所以"abc"可以說存在於堆中（而有些資料，爲了把方法區的 堆區別於JVM的堆，把方法區稱爲棧）。一般這種情況下，"abc"在編譯時就被寫入字節碼中，所以class被加載時，JVM就爲"abc"在常量池中 分配內存，所以和靜態區差不多。
4(2)String str = new String("abc")創建實例的過程 1 首先在堆中（不是常量池）創建一個指定的對象"abc"，並讓str引用指向該對象 2 在字符串常量池中查看，是否存在內容爲"abc"字符串對象 3 若存在，則將new出來的字符串對象與字符串常量池中的對象聯繫起來 4 若不存在，則在字符串常量池中創建一個內容爲"abc"的字符串對象，並將堆中的對象與之聯繫起來 intern 方法可以返回該字符串在常量池中的對象的引用，可以通過下面代碼簡單的測試 Java代碼
class StringTest {
public static void main(String[] args) {
String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc").intern();
System.out.println(str1==str2);
}
}
一個初始爲空的字符串池，它由類 String 私有地維護。 當調用 intern 方法時，如果池已經包含一個等於此 String 對象的字符串（用 equals(Object) 方法確定），則返回池中的字符串。否則，將此 String 對象添加到池中，並返回此 String 對象的引用。 它遵循以下規則：對於任意兩個字符串 s 和 t ，當且僅當 s.equals(t) 爲 true 時，s.intern() == t.intern() 才爲 true 。 所以String str1 = "abc"，str1引用的是常量池（方法區）的對象，而String str2 = new String("abc")，str2引用的是堆中的對象，所以內存地址不一樣，但是內容一樣，所以==爲false，而equals是true
4(3)String str1 = "abc"; String str2 = "ab" + "c"; str1==str2是ture 是因爲String str2 = "ab" + "c"會查找常量池中時候存在內容爲"abc"字符串對象，如存在則直接讓str2引用該對象，顯然String str1 = "abc"的時候，上面說了，會在常量池中創建"abc"對象，所以str1引用該對象，str2也引用該對象，所以str1==str2
4(4)String str1 = "abc"; String str2 = "ab"; String str3 = str2 + "c"; str1==str3是false 是因爲String str3 = str2 + "c"涉及到變量（不全是常量）的相加，所以會生成新的對象，其內部實現是先new一個StringBuilder，然後 append(str2),append("c");然後讓str3引用toString()返回的對象 如果想了解更多的細節，可以自己查看反編譯的代碼，查看反編譯代碼可以用javap，
即 javap -c -verbose 要查看的類文件(.class不要)
比如上面的代碼的示例
javac StringTest.java //編譯
javap -c -verbose StringTest //反編譯
4(5)String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //true 注意，
我們這裏並不用str1.equals(str2)；的方式，因爲這將比較兩個字符串的值是否相等。==號，根據JDK的說明，只有在兩個引用都指向了同一個對象時才返回真值。而我們在這裏要看的是，str1與str2是否都指向了同一個對象。 結果說明，JVM創建了兩個引用str1和str2，但只創建了一個對象，而且兩個引用都指向了這個對象。
4(6)String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
str1 = "bcd";
System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc
System.out.println(str1==str2); //false 這就是說，賦值的變化導致了類對象引用的變化，str1指向了另外一個新對象！而str2仍舊指向原來的對象。上例中，當我們將str1的值改爲"bcd"時，JVM發現在 常量池中沒有存放該值的地址，便開闢了這個地址，並創建了一個新的對象，其字符串的值指向這個地址。 事 實上，String類被設計成爲不可改變(immutable)的類。如果你要改變其值，可以，但JVM在運行時根據新值悄悄創建了一個新對象，然後將這 個對象的地址返回給原來類的引用。這個創建過程雖說是完全自動進行的，但它畢竟佔用了更多的時間。在對時間要求比較敏感的環境中，會帶有一定的不良影響。
4(7)
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 這個對象的引用直接指向str1所指向的對象(注意，str3並沒有創建新對象)。當str1改完其值後，再創建一個String的引用str4，並指向 因str1修改值而創建的新的對象。可以發現，這回str4也沒有創建新的對象，從而再次實現棧中數據的共享。
4(8)
我們再接着看以下的代碼。
String str1 = new String("abc");
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //false 創建了兩個引用。創建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。 String str1 = "abc"; String str2 = new String("abc"); System.out.println(str1==str2); //false 創建了兩個引用。創建了兩個對象。兩個引用分別指向不同的兩個對象。 以上兩段代碼說明，只要是用new()來新建對象的，都會在堆中創建，而且其字符串是單獨存值的，即使與棧中的數據相同，也不會與棧中的數據共享。
5. 數據類型包裝類的值不可修改。不僅僅是String類的值不可修改，所有的數據類型包裝類都不能更改其內部的值。
6. 結論與建議：
(1) 我們在使用諸如String str = "abc"；的格式定義類時，總是想當然地認爲，我們創建了String類的對象str。擔心陷阱！對象可能並沒有被創建！唯一可以肯定的是，指向 String類的引用被創建了。至於這個引用到底是否指向了一個新的對象，必須根據上下文來考慮，除非你通過new()方法來顯要地創建一個新的對象。因 此，更爲準確的說法是，我們創建了一個指向String類的對象的引用變量str，這個對象引用變量指向了某個值爲"abc"的String類。清醒地認 識到這一點對排除程序中難以發現的bug是很有幫助的。
(2)使用String str = "abc"；的方式，可以在一定程度上提高程序的運行速度，因爲JVM會自動根據棧中數據的實際情況來決定是否有必要創建新對象。而對於String str = new String("abc")；的代碼，則一概在堆中創建新對象，而不管其字符串值是否相等，是否有必要創建新對象，從而加重了程序的負擔。這個思想應該是 享元模式的思想，但JDK的內部在這裏實現是否應用了這個模式，不得而知。
(3)當比較包裝類裏面的數值是否相等時，用equals()方法；當測試兩個包裝類的引用是否指向同一個對象時，用==。
(4)由於String類的immutable性質，當String變量需要經常變換其值時，應該考慮使用StringBuffer類，以提高程序效率