基于内存模型图的Java 传值与传引用教学研究

摘要：在职业教育的课堂上，Java语言的教学更多地偏向代码的练习，由于Java虚拟机的说明文档晦涩难懂，不方便引入Java虚拟机相关内容，不利于学生理解程序。文章提出通过内存模型图的方法帮助学生理解和学习Java语言，并以传值和传引用为例进行了实证研究。

关键词：职业院校课堂教学；Java语言堂教学；内存模型图应用

中图分类号：G424 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）27-0152-03

0 引言

在高职院校软件相关的课程体系中，语言的教学大多从Java语言开始，Java语言虽然只是一门语言，但其有严谨的支撑体系，Java虚拟机。Java语言的学习从更多的是从使用角度切入学习，如果不能理解Java虚拟机，对学生的语言掌握程度会有部分影响。针对这个问题，宋平、王振建议学生反复揣摩、修改和尝试[1]。职业院校的课程设计更多的是对接产业链和企业技能需求，并没有完善的学科支撑体系。在没有学过电路和计算机组成原理的学科体系相关的课程，学生在面临理解Java语言，尤其是Java语言中的面向对象部分，理解较为困难。针对此问题张大鹏提出了将内存模型引入课堂，文献中得出的结论是：引入内存模型进入课堂教学可以使学生理解更加深刻，降低了程序的抽象程度[2]。本人在课堂实践中发现即使将内存模型融入课堂教学，对学生来说让人比较难以理解，通过结合程序画内存模型图的方式可以比较有效地帮助学生理解Java语言。曾荣在C语言教学难点探索时，将内存单元画出来，结合内存单元图来讲解C 语言中的难点也是一种比较好的参考[3]。综上所述画好内存模型图有助于同学更好地理解和学习Java 语言。

1 Java 内存模型概述

惠华先总结了Java虚拟机内存区域相关的内容。Java虚拟机的内存区域主要包含：方法区、堆、Java栈、PC寄存器和本地方法栈等5个区域[4]。

方法区主要包含：类型信息、常量池、字段信息、方法信息、类变量、一个指向ClassLoader的引用、一个指向class 的引用、一个指向class 对象的引用、方法表；堆中主要存储句柄池和对象池、每个包含一个指向特殊数据结构的指针；Java栈中主要由3部分组成：局部变量表、操作数栈和帧数据区；PC寄存器用于保存机器的运行状态；本地方法栈是指Java虚拟机用到的与本地方法相关的数据区。

内存模型主要基于现有的计算机内存结构，现有的计算机内存类似一个指定长度的数组，数组下标类似一个内存地址。传值和传引用案例研究时，重点关注：程序调用栈中存储的程序执行到那一行；局部变量表中存储的8种基本数据类型和引用数据类型；堆区中会使用连续的内存空间，存储创建出来的对象信息；方法区中存储的方法表、方法的信息和字符串常量池。

程序调用栈的内存模型图画法：程序调用栈是一个栈型的结构，主要存储程序执行到那一行，在执行函数调用时，程序调用栈会发生入栈操作，如图1所示。

当栈底上面一行存储的行号所在的函数执行结束后，会发生出栈操作。之后程序会执行栈底所在函数行号的下一行，直到Main函数执行结束，整个程序调用栈销毁。

局部变量表的画法：局部变量表中存储的主要是8种基本数据类型和引用数据类型，可以使用连续的内存空间来存储具体的数据类型，如图2所示。

堆区的画法：堆区主要存储的是对象的信息，对象主要包含成员变量，方法表的引用等信息，如图3 所示。

方法区的画法：方法区主要存储的是方法表（某个对象的各个方法引用），方法的实现，字符串常量池等信息，如图4所示。

2 内存模型在教学中的应用

在方法调用中，参数可以通过值传递或引用传递来传递给方法。值传递是一种将参数的值复制到方法中的过程。这种传递方式适用于简单数据类型，如整数、浮点数和布尔值等。常用的值传递对应的数据类型在Java中指的是8种基本数据类型：byte、short、int、long、float、double、char、boolean。

Java传值的过程中，将某个变量传递给函数，此变量在函数的作用域中可能会发生各种变化。当函数执行结束之后，外部调用方再次使用传入方的那个变量，此变量的值依旧是传入函数之前的那个值。

Java中的引用数据类型：

类：class

接口：interface

数组：array

引用数据类型就是指内存空间可以同时被多个栈内存引用。接下来通过一个案例分析对象的引用传递。

3 传引用的案例分析

传引用的程序代码[5]如下：

1 class Student {

2 String name; // 声明姓名属性

3 int age; // 声明年龄属性

4 void read（） {

5 System.out.println（"大家好，我是"+name+"，年龄"+age）;

6 }

7 }

8 class Example02 {

9 public static void main（String[] args） {

10 Student stu1 = new Student （）; //声明stu1 对象并实例化

11 Student stu2 = null; //声明stu2对象，初始值为null

12 stu2 = stu1; //将stu1的内存地址赋值给stu2

13 stu1.name = "小明"; //为stu1对象的name 属性赋值

14 stu1.age = 20; //为stu2对象的age属性赋值

15 stu2.age = 50;

16 stu1.read（）; //调用stu1的方法

17 stu2.read（）;

18 }

19 } 程序执行结果如下：

大家好，我是小明，年龄50。

大家好，我是小明，年龄50。

4 传引用案例的内存模型图分析

第10 行代码Student stu1 = new Student （）;声明stu1对象并实例化，程序在执行new关键字代码之后，会在内存中创建new关键字后对应的对象。程序调用栈中存储的是程序执行到那一行，当前是第10行。局部变量表中存储当前程序可以使用的对象的引用，是stu1。堆区中存储的是当前可以使用的对象的资源，包括成员变量name和age，初始值Kuf0RP7JuSCUgF3r1kaRgmeCmSFqloJHN7JJYmMWCUo=分别是null和0，还有一个指向方法表的引用。方法区中主要存储的是方法表包含read方法和read方法的实现。通过内存模型图将第10行代码执行后的内存状态表现出来，如图5所示。

第11行代码Student stu2 = null; 声明stu2对象，但不对其进行实例化，没有实例化的对象的默认初始值为null。通过内存模型图将第11行代码执行后的内存状态表现出来，如图6所示。

第12行代码stu2 = stu1; 把stu1对象的引用赋值给stu2，此时stu1和stu2指向同一个的内存地址。通过内存模型图将第12行代码执行后的内存状态表现出来，如图7所示。

第13 行代码stu1.name = "小明";为stu1 对象的name属性赋值。“小明”是一个非new关键字创建出来的字符串，存储在Java虚拟机的字符串常量池中。字符串常量池也是方法区的一部分。通过内存模型图将第13行代码执行后的内存状态表现出来，如图8 所示。

第14行stu1.age = 20; 为stu1对象的age 属性赋值，使age的值变为20。通过内存模型图将第14行代码执行后的内存状态表现出来，如图9所示。

第15行stu2.age = 50; 为stu2对象的age 属性赋值。赋值之后age的值变为50。通过内存模型图将第15行代码执行后的内存状态表现出来，如图10所示。

分析：stu1和stu2指向的是同一内存地址，所以修改堆区的数据stu1和stu2都可以访问到，最终stu1和stu2的属性值相同，程序输出的结果也相同。

5 总结

内存模型图是一种帮助理解程序的好方法。同学们通过对内存模型的分析，可以比较清楚分析面向对象程序在内存中的变化状态，更加准确地理解程序。但同时也会面临如下问题：首先内存模型图有助于帮助同学理解程序，并不能完全准确地模拟程序在内存中的变化状态；其次本例中的在画内存模型图时，会使用局部变量表、程序调用栈、堆区、方法区和字符串常量池等概念，也会部分增加学生的理解难度。综上所述在教学实践中有利于同学理解Java中的传值和传引用，借助内存模型图来教学是一种比较好的教学方法。

本文重点是传值和传引用的研究案例，由于在Java语言教学中，有较多的学习内容比较靠近Java虚拟机，这部分内容可以通过内存模型图的方式来帮助同学理解和学习。比如对象的继承和方法重写，对象的向上向下转型，内部类，静态变量和静态方法等内容。这部分也是较好的研究方向。

参考文献：

[1] 宋平，王振.提高Java语言教学效果的探索与实践[J].沈阳农业大学学报（社会科学版），2006，8（4）：693-695.

[2] 张大鹏.内存模型在程序设计教学中的应用研究[J].福建电脑，2010，26（4）：183.

[3] 曾蓉.C语言教学难点初探[J].中国职业技术教育，2003（10）：59-61.

[4] 惠华先，张静.Java语言中对象内存分配过程的研究[J].电脑知识与技术，2011，7（8）：1799-1801.

[5] 黑马程序员.Java基础案例教程[M].北京：人民邮电出版社，2017.

【通联编辑：闻翔军】