变量在Java栈、堆内存中的运用管理分析

陈益　杨晓艳

摘要 初次接触面向对象程序设计，不易弄清楚各种类型变量在内存中是如何分配和管理的。以Java为例，主要介绍基本数据类型一维数组内存模型、引用数据类型数组内存模型、方法调用时变量的内存模型、内部类的内存模型的活动空间。了解对象的属性和行为在内存中的位置和彼此间的关系，有助于更好地理解程序的编译原理和运行机制。

关键词 JVM；内存模型；基本类型；引用类型

DOI DOI： 10.11907/rjdk.162172

中图分类号： TP301

文献标识码： A 文章编号 文章编号： 16727800（2017）002002903

0 引言

对于不同的平台，内存模型通常有所差异。Java虚拟机、Java Virtual Machine（简称JVM）的内存模型规范是统一的。Java内存分配时涉及到的区域有：①栈内存（简称栈）：一般用来存放基本类型的数据和对象的引用，不包括对象自身；②堆内存（简称堆）：用来存放由new关键字创建的对象；③常量池：用来存放常量；④静态域：用来存放静态成员；⑤非RAM存储：一般指硬盘等永久存储空间；⑥寄存器：由编译器根据实际需要分配内存区域，用户在编程中无法控制它。

Java中的变量包括基本类型和引用类型变量两大类，当用户在一个类中定义了一个变量，JVM在栈内存中为此变量分配空间大小，对象调用完变量后，Java虚拟机将释放掉先前为该变量分配的空间[1]。方法中的基本类型变量和对象引用变量，都在方法的栈中被分配空间。栈中主要存放一些基本类型的变量数据和对象引用。也即当用户在Java中声明一个变量时，则在栈中为其分配了一块空间，用来存放变量的值，变量的值可以是数值、false、null等。直接被賦值为数值或false的变量，即是通常Java中规定的8种基本数据类型变量，包括：boolean、byte、char、int、short、long、float、double，它们的值则放在栈中提供给用户使用；值为null的变量是引用类型的变量，在Java中凡是声明为数组、类（对象）、字符串、接口等类型的变量都是引用类型变量，在声明时其默认值也存放在栈中。

由于引用类型变量在声明时默认值为null，所以要和存放在堆中的对象产生一定联系，以获取该对象的首地址信息来替换声明时的null，这种联系被形象地称为指向。建立了堆栈之间的指向，栈中的变量才有了真正的实体，才能被使用。Java中堆栈之间的指向类似于C语音中的指针。Java中的堆是一个运行时的数据区，用来存放由new关键字创建的对象和数组，它不需要程序代码来显式地释放内存空间，而是由堆动态地分配内存大小，由JVM虚拟机的自动垃圾回收器来管理那些不再被引用的内存。本文主要介绍引用数据类型变量在内存中的分配状况。

1 基本数据类型一维数组内存模型

声明一个一维整形数组变量n，比如int []n，则n的值默认为null，存放在栈中，和其它内存没有任何交集，内存模型如图1所示。要想使用n数组变量，则应该创建对象给数组分配大小，给n变量赋予实际意义的值，所赋的值是该数组首元素的地址。在Java中声明一维整型数组后，由new关键字创建对象并为其分配空间，声明变量和创建对象通常由一步完成。如int []n=new int[3]；n的值为数组首元素地址，即n指向数组的首元素，具体做法是将数组首元素的地址放入n变量中，替换n的初始值null。n中有3个能操作的变量，可以给3个变量作赋值操作，如同给任意一个简单变量赋值操作一样。如果用户没有给3个数组元素初始化，因为3个元素的类型都是整型（数值型），在堆内存中会默认3个元素的值都为0。

内存模型如图2所示。如n不再指向数组的首元素，即当赋值号两边的操作对象之间没有任何联系时，n的值再次为null，内存模型如图3所示。没有被任何引用类型变量指向的对象是一个匿名对象。

2 引用数据类型数组内存模型

2.1 对象数组类型

声明一个引用类型的数组变量stu，数组的类型为对象引用型，如Student []stu；与基本整型的一维数组相比，虽然都是引用类型，但数组的类型是对象型，不过值都是一样为null，对象数组值为null的内存模型和基本类型数组的模型一样，如图1所示。用new分配3个长度的空间，Student []stu = new Student[3]，因为3个数组元素都为对象型的变量，初始默认值为null，还不能使用，内存模型如图4所示。要想使用数组中的每个数组元素，需要分别给各个数组元素补充完整信息，如图5所示。给数组的首元素赋值，有两个属性分为姓名“lisi”和年龄“18”，即可使用首元素。

2.2 字符串类型

图6为字符串对象模型，当用户声明一个字符串类型引用变量时，如String s1，变量s在栈内存中被分配空间，其值为null，系统只为变量分配了引用空间，还没有创建具体对象。当new关键字调用构造方法后才创建对象，并将对象的引用赋值给字符串引用类型的变量s1，两步工作可以合并为一步完成，如s2字符串引用类型变量声明所示[2]。代码段如下所示：

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”）；

}

}

先分析源程序的运行结果，程序中两个if语句描述了字符串等号“= =”和equals方法的功能。String s1=new String（"def"）； String s2=new String（"def"），由字符串String类产生了两个字符串对象，分别为s1和s2。第一个if语句if（s1= =s2）的结果是s1！=s2，第二个if语句if（s1.equals（s2））的结果是s1 equals s2。分析结果产生的根源要从内存模型来解释。s1和s2是两个引用（字符串）类型的变量，当两个字符串引用类型的变量作“= =”比较时，表面上是比较两个变量的值，但该值不同于简单变量的数值，引用类型变量的值实质上指的是地址，它们分别为两个不同的字符串常量，因此其地址肯定不相等。但两个变量表示的字符串内容相等，都是“def”，采用equals方法的作用是比较两个变量代表的内容，如图6所示。

另外，程序中用来给变量赋值的常量（如数值、字符串等）都位于常量池中。常量池是由编译器确定被保存在.class文件中的数据信息，里面除了基本数据类型和引用类型的常量外，还包含一些文本形式的符号引用，比如：类、变量、方法及接口的名称和描述符。对于String类型的常量，它的值存放在常量池中。在JVM中，常量池在内存中是以表的形式存在。对于String类型，有一张固定长度的常量字符串信息表，专门负责存储文字字符串值，而不存储符号引用。位于.class字節码文件中的常量，在运行期间由JVM自行装载，还具有扩充功能。String类中的intern即是扩充常量池的一个方法。

3 方法调用时变量内存模型

图7为方法调用模型1，图8为方法调用模型2，自定义方法中有无参数（方法中的参数称为形式参数，简称形参）都可以。方法中若有参数将带来程序的灵活性，参数类型由用户根据具体需要设定。基本数据类型变量之间的值传递是简单的单向传递。JVM中传递各种类型变量值的方法主要分为3种：①方法的参数为简单变量，进行单向值传递；②方法的参数为数组变量，进行地址传递；③方法的参数为对象变量，进行地址传递。在如下代码段中，fn1方法有3个重载的方法，参数分别为整型变量、数组变量和对象变量，试分析程序的运行结果。

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；？ }

}

由运行结果可知，在Java中，对于方法fn1，简单变量的值传递与其它语言中简单变量的值传递原理一致，都是单向传递，传递的是值本身，方法调用过程中不会改变原有值，并且JVM中所有的简单变量都保存在栈内存中，与堆内存没有联系，具体如图7所示；对于方法fn2和fn3，当数组或对象作为方法的参数时，因为传递的是地址，地址改变时，原来的值也跟随改变，具体如图8所示。

4 内部类内存模型

类的成员除变量和方法外，还可以有另一个成员内部类。内部类（也称Inner Class）指在一个类中定义的另外一个类。内部类和外部类的定义方式一样，其拥有自己独立的属性和方法，并将它们封装在一个类中。内部类拥有和方法一样的访问权限，可以声明为public、protected、default和private。内部类将逻辑上相关的一组类组织起来，由外部类（OuterDemo Class）来控制其可见性[3]。代码如下所示：

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（）；

}

}

编译后将产生3个.class文件，一个是含有main方法的Test类的Test.class，一个是外部类的OuterDemo.class文件，还有一个是内部类的OuterDemo$ Inner.class文件，运行结果打印输出为50。程序中将成员变量n的访问权限设置为私有的（private），检验外部类的私有变量n能够被内部类Inner中的fn2（ ）方法所访问。如果私有变量都能被访问，外部类中其它的访问权限，共有的、受保护的和友好的则也能被内部类的成员访问。主要当创建一个内部类对象时，它与外部类对象之间便产生了一种联系，这种联系是通过一個特殊变量this搭建的，从而使内部类对象能随意访问外部类中的所有成员。具体内存模型如图9所示。

5 结语

JVM定义了各种变量的内存模型状态，每个变量都在自己的内存空间中活动，同时又与其它内存建立联系。Java自动管理栈内存和堆内存，程序员不能直接设置栈内存或堆内存，栈内存中放置基本类型、局部变量和引用变量的值。引用变量存放在栈内存中，对象内容根据创建方式而定，由编译器事先创建好并存放在常量池中，程序运行时由new调用构造方法创建的对象，存放在堆内存中。 栈的优点是数据共享、存取速度快；缺点是数据大小与生存期必须是确定的，缺少灵活性。

堆内存放置new调用构造方法创建的对象。一旦在堆中产生数组或对象后，可以在栈中声明一个特殊变量，变量的值等于数组或对象在堆内存中的首地址，栈里声明的特殊变量则成了数组或对象的引用变量。其实，栈内存中的变量指向堆内存中的对象，可以被理解为JVM中的指针。由于堆内存分配是在程序运行时动态进行的，所以堆内存的存取速度相对于栈内存而言较慢。

String类表示一个字符串，在Java中所有的文字串，例如“abc”都是作为String类的实例来实现的。String类是Java中一个特殊的封装类，它被声明为final，用户不能从String类派生出其它类，一个String类的对象是一个常量，创建之后值不能被改变。

参考文献：

[1] 耿祥义.Java2实用教程[M].第4版.北京：清华大学出版社，2012.

[2] 张桂珠.JVM面向对象程序设计[M].第3版.北京：北京邮电大学出版社，2010.

[3] 孙鑫.Java无难事[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4] 林树泽.Java完全自学手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[5] 周志明.深入理解Java虚拟机[M].北京：机械工业出版社，2011.

[6] [美]BRUCE ECKEL.Java编程思想[M].第4版.陈昊鹏，译.北京：机械工业出版社，2007.

[7] 聂芬.Java中堆与栈的内存分配[J].电脑学习，2010（6）：123124.

（责任编辑：杜能钢）