Java虚拟机：Java中堆和栈的详细区别
一、Java中內存分配策略：
在比較堆和棧的區別之前，我們先了解下Java的內存分配策略，按照編譯原理的觀點，程序運行時的內存分配有三種策略，分別是：靜態的,棧式的,和堆式的。
（1）靜態存儲分配：是指在編譯時，就能確定每個數據在運行時的存儲空間，因而在編譯時就可以給他們分配固定的內存空間。這種分配策略要求程序代碼中不允許有可變數據結構的存在，也不允許有嵌套或者遞歸的結構出現，因為它們都會導致編譯程序無法計算準確的存儲空間需求。
（2）棧式存儲分配：也可稱為動態存儲分配，是由一個類似于堆棧的運行棧來實現的。和靜態存儲分配相反，在棧式存儲方案中，程序對數據區的需求在編譯時是完全未知的，只有到運行的時候才能夠知道，也就是規定在運行中進入一個程序模塊時,必須知道該程序模塊所需的數據區大小才能夠為其分配內存。棧式存儲分配按照先進后出的原則進行分配。
（3）堆式存儲分配：靜態存儲分配要求在編譯時能知道所有變量的存儲要求，棧式存儲分配要求在過程的入口處必須知道所有的存儲要求，而堆式存儲分配則專門負責在編譯時或運行時模塊入口處都無法確定存儲要求的數據結構的內存分配，比如可變長度串和對象實例。堆由大片的可利用塊或空閑塊組成,堆中的內存可以按照任意順序分配和釋放。
二、JVM中的堆(heap)和棧(stack)的區別:
JVM是基于堆棧的虛擬機，堆和棧都是Java用來在內存中存放數據的地方。
1、功能和作用：
（1）棧，可以看成是方法的運行模型，所有方法的調用都是通過棧幀來進行的，JVM會為每個線程都分配一個棧區，JVM對棧只進行兩種操作：以幀為單位的壓棧和出棧操作。當線程進入一個Java方法函數的時候，就會在當前線程的棧里壓入一個棧幀，用于保存當前線程的狀態（參數、局部變量、中間計算過程和其他數據），當退出函數方法時，修改棧指針就可以把棧中的內容銷毀。
（2）堆，唯一的目的就是用于存放對象實例，每個Java應用都唯一對應一個JVM實例，每個JVM實例都唯一對應一個堆，并由堆內存被應用所有的線程共享。
所以，從功能和作用來通俗的比較，堆主要用來存放對象的，棧主要是用來執行程序的。
2、性能與存儲要求：
（1）棧的性能比堆要快，僅次于位于CPU中的寄存器。但是，在分配內存的時候，存放在棧中的數據大小與生存周期必須在編譯時是確定的，缺乏靈活性。
（2）堆可以動態分配內存大小，編譯器不必知道要從堆里分配多少存儲空間，生存周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，因此可以得到更大的靈活性。但是，由于要在運行時動態分配內存和銷毀對象時都需要占用時間，所以效率低。由于面向對象的多態性，堆內存分配是必不可少的，因為多態變量所需的存儲空間只有在運行時創建了對象之后才能確定。當然，為達到這種靈活性，必然會付出一定的代價。
3、內存的分配與回收：
跟C/C++不同，Java中分配堆棧內存是由JVM自動分配和管理的。
Java中的數據類型有兩種：一種是8個基本類型（即int, short, long, byte, float, double, boolean, char），一種是引用類型。
（1）函數中基本類型和對象的引用都是在棧內存中分配。當在一段代碼塊中定義一個變量時，由于這些變量大小可知，生存期可知，出于追求速度的原因，Java就在棧中為這個變量分配內存空間，當超過變量的作用域后，Java會自動釋放掉為該變量所分配的內存空間。
（2）對于引用類型：Java中所有對象的存儲空間都是在堆中分配的，但是這個對象的引用卻是在堆棧中分配。也就是說在建立一個對象時，從兩個地方都分配內存，在堆中分配的內存實際用于建立這個對象，而在棧中分配的內存只是一個指向這個堆對象的引用而已。在堆中分配的內存，由Java虛擬機的自動垃圾回收器來管理。
4、內存共享：
（1）棧數據的內存共享：
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為a的引用，然后查找有沒有字面值為3的地址，沒找到，就開辟一個存放3這個字面值的地址，然后將a指向3的地址。接著處理int b = 3；在創建完b的引用變量后，由于在棧中已經有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。
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，那么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著改變的情況。
如上例，我們定義完a與 b的值后，再令a=4；那么，b不會等于4，還是等于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，重新開辟地址存放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。
（2）引用類型的內存共享：
String類型用String str = new String("abc")的形式來創建，也可以用String str = "abc"的形式來創建。前者是規范的類的創建過程，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。那為什么在String str = "abc"；中，并沒有通過new()來創建實例，是不是違反了上述原則？其實沒有：
關于String str = "abc"的內部工作。Java內部將此語句轉化為以下幾個步驟：
（1）先定義一個名為str對象引用變量：String str；
（2）在棧中查找有沒有存放值為"abc"的地址，如果沒有，則開辟一個存放字面值為"abc"的地址，接著創建一個新的String類的對象o，并將o 的字符串值指向這個地址，而且在棧中這個地址旁邊記下這個引用的對象o。如果已經有了值為"abc"的地址，則查找對象o，并返回o的地址。
（3）將str指向對象o的地址。
值得注意的是，一般String類中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；這種場合下，其字符串值卻是保存了一個指向存在棧中數據的引用！ 為了更好地說明這個問題，我們可以通過以下的幾個代碼進行驗證。
String str1 = "abc"; String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //true
?注意，我們這里并不用str1.equals(str2)；的方式，因為這將比較兩個字符串的值是否相等。而我們在這里要看的是，str1與str2是否都指向了同一個對象，==號只有在兩個引用都指向了同一個對象時才返回真值。?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。 我們再來更進一步，將以上代碼改成：
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的值改為"bcd"時，JVM發現在棧中沒有存放該值的地址，便開辟了這個地址，并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類被設計成為不可改變(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，然后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，但它畢竟占用了更多的時間。在對時間要求比較敏感的環境中，會帶有一定的不良影響。 再修改原來代碼：
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并沒有創建新對象)。當str1改完其值后，再創建一個String的引用str4，并指向因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。
我們再接著看以下的代碼：
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。
綜上：
（1）我們在使用諸如 String str = "abc" 的格式定義類時，對象可能并沒有被創建。唯一可以肯定的是，指向 String類的引用被創建了，至于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，除非通過new()方法來顯式地創建一個新的對象。
（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，因為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，這是享元模式的思想。而對于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。
三、通過堆和棧的理解，思考為什么Java慢的原因？
在Java中,除了簡單的基本數據類型，其它都是在堆中分配內存，這也是程序慢的原因之一。
如果沒有GC，上面的說法就是成立的。堆不像棧是連續的空間，沒法指望堆本身的內存分配能夠象棧一樣擁有傳送帶般的速度，因為誰會為你整理龐大的堆空間，讓你幾乎沒有延遲的從堆中獲取新的空間呢?
這個時候，GC站出來解決問題。GC清除內存垃圾，為堆騰出空間供程序使用，但GC同時也擔負了另外一個重要的任務，就是要讓Java中堆的內存分配和其他語言中堆棧的內存分配一樣快。要達到這樣的目的，就必須使堆的分配也能夠做到像傳送帶一樣，不用自己操心去找空閑空間。所以，GC除了負責清除Garbage外，還要負責整理堆中的對象，把它們轉移到一個遠離Garbage的純凈空間中無間隔的排列起來，就像堆棧中一樣緊湊，這樣Heap Pointer就可以方便的指向傳送帶的起始位置，或者說一個未使用的空間，為下一個需要分配內存的對象"指引方向"。因此可以這樣說，垃圾收集影響了對象的創建速度。
那GC怎樣在堆中找到所有存活的對象呢？前面說了，在建立一個對象時，在堆中分配實際建立這個對象的內存，而在棧中分配一個指向這個堆對象的引用，那么只要在棧(也有可能在靜態存儲區)找到這個引用，就可以跟蹤到所有存活的對象。找到之后，GC將它們從堆的一個塊中移到另一個塊中，并將它們一個挨一個地排列起來，這樣就可以在速度可以保證的情況下，可以任意分配的。
但是，GC的運行要占用一個線程，這本身就是一個降低程序運行性能的缺陷，更何況這個線程還要在堆中把內存翻來覆去的折騰。不僅如此，如上面所說，堆中存活的對象被搬移了位置，那么所有對這些對象的引用都要重新賦值，這些開銷都會導致性能的降低。
文章整理自：讓你徹底明白JAVA中堆與棧的區別 - JAVA編程語言程序開發技術文章 - 紅黑聯盟
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java虚拟机：Java中堆和栈的详细区别的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： Tomcat系统架构
- 下一篇： Java虚拟机：深入详细分析Java C