陳益　楊曉艷

摘要 初次接觸面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，不易弄清楚各種類(lèi)型變量在內(nèi)存中是如何分配和管理的。以Java為例，主要介紹基本數(shù)據(jù)類(lèi)型一維數(shù)組內(nèi)存模型、引用數(shù)據(jù)類(lèi)型數(shù)組內(nèi)存模型、方法調(diào)用時(shí)變量的內(nèi)存模型、內(nèi)部類(lèi)的內(nèi)存模型的活動(dòng)空間。了解對(duì)象的屬性和行為在內(nèi)存中的位置和彼此間的關(guān)系，有助于更好地理解程序的編譯原理和運(yùn)行機(jī)制。

關(guān)鍵詞 JVM；內(nèi)存模型；基本類(lèi)型；引用類(lèi)型

DOI DOI： 10.11907/rjdk.162172

中圖分類(lèi)號(hào)： TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào) 文章編號(hào)： 16727800（2017）002002903

0 引言

對(duì)于不同的平臺(tái)，內(nèi)存模型通常有所差異。Java虛擬機(jī)、Java Virtual Machine（簡(jiǎn)稱(chēng)JVM）的內(nèi)存模型規(guī)范是統(tǒng)一的。Java內(nèi)存分配時(shí)涉及到的區(qū)域有：①棧內(nèi)存（簡(jiǎn)稱(chēng)棧）：一般用來(lái)存放基本類(lèi)型的數(shù)據(jù)和對(duì)象的引用，不包括對(duì)象自身；②堆內(nèi)存（簡(jiǎn)稱(chēng)堆）：用來(lái)存放由new關(guān)鍵字創(chuàng)建的對(duì)象；③常量池：用來(lái)存放常量；④靜態(tài)域：用來(lái)存放靜態(tài)成員；⑤非RAM存儲(chǔ)：一般指硬盤(pán)等永久存儲(chǔ)空間；⑥寄存器：由編譯器根據(jù)實(shí)際需要分配內(nèi)存區(qū)域，用戶(hù)在編程中無(wú)法控制它。

Java中的變量包括基本類(lèi)型和引用類(lèi)型變量?jī)纱箢?lèi)，當(dāng)用戶(hù)在一個(gè)類(lèi)中定義了一個(gè)變量，JVM在棧內(nèi)存中為此變量分配空間大小，對(duì)象調(diào)用完變量后，Java虛擬機(jī)將釋放掉先前為該變量分配的空間[1]。方法中的基本類(lèi)型變量和對(duì)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(lèi)型的變量數(shù)據(jù)和對(duì)象引用。也即當(dāng)用戶(hù)在Java中聲明一個(gè)變量時(shí)，則在棧中為其分配了一塊空間，用來(lái)存放變量的值，變量的值可以是數(shù)值、false、null等。直接被賦值為數(shù)值或false的變量，即是通常Java中規(guī)定的8種基本數(shù)據(jù)類(lèi)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(hù)使用；值為null的變量是引用類(lèi)型的變量，在Java中凡是聲明為數(shù)組、類(lèi)（對(duì)象）、字符串、接口等類(lèi)型的變量都是引用類(lèi)型變量，在聲明時(shí)其默認(rèn)值也存放在棧中。

由于引用類(lèi)型變量在聲明時(shí)默認(rèn)值為null，所以要和存放在堆中的對(duì)象產(chǎn)生一定聯(lián)系，以獲取該對(duì)象的首地址信息來(lái)替換聲明時(shí)的null，這種聯(lián)系被形象地稱(chēng)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(shí)體，才能被使用。Java中堆棧之間的指向類(lèi)似于C語(yǔ)音中的指針。Java中的堆是一個(gè)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，用來(lái)存放由new關(guān)鍵字創(chuàng)建的對(duì)象和數(shù)組，它不需要程序代碼來(lái)顯式地釋放內(nèi)存空間，而是由堆動(dòng)態(tài)地分配內(nèi)存大小，由JVM虛擬機(jī)的自動(dòng)垃圾回收器來(lái)管理那些不再被引用的內(nèi)存。本文主要介紹引用數(shù)據(jù)類(lèi)型變量在內(nèi)存中的分配狀況。

1 基本數(shù)據(jù)類(lèi)型一維數(shù)組內(nèi)存模型

聲明一個(gè)一維整形數(shù)組變量n，比如int []n，則n的值默認(rèn)為null，存放在棧中，和其它內(nèi)存沒(méi)有任何交集，內(nèi)存模型如圖1所示。要想使用n數(shù)組變量，則應(yīng)該創(chuàng)建對(duì)象給數(shù)組分配大小，給n變量賦予實(shí)際意義的值，所賦的值是該數(shù)組首元素的地址。在Java中聲明一維整型數(shù)組后，由new關(guān)鍵字創(chuàng)建對(duì)象并為其分配空間，聲明變量和創(chuàng)建對(duì)象通常由一步完成。如int []n=new int[3]；n的值為數(shù)組首元素地址，即n指向數(shù)組的首元素，具體做法是將數(shù)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(gè)能操作的變量，可以給3個(gè)變量作賦值操作，如同給任意一個(gè)簡(jiǎn)單變量賦值操作一樣。如果用戶(hù)沒(méi)有給3個(gè)數(shù)組元素初始化，因?yàn)?個(gè)元素的類(lèi)型都是整型（數(shù)值型），在堆內(nèi)存中會(huì)默認(rèn)3個(gè)元素的值都為0。

內(nèi)存模型如圖2所示。如n不再指向數(shù)組的首元素，即當(dāng)賦值號(hào)兩邊的操作對(duì)象之間沒(méi)有任何聯(lián)系時(shí)，n的值再次為null，內(nèi)存模型如圖3所示。沒(méi)有被任何引用類(lèi)型變量指向的對(duì)象是一個(gè)匿名對(duì)象。

2 引用數(shù)據(jù)類(lèi)型數(shù)組內(nèi)存模型

2.1 對(duì)象數(shù)組類(lèi)型

聲明一個(gè)引用類(lèi)型的數(shù)組變量stu，數(shù)組的類(lèi)型為對(duì)象引用型，如Student []stu；與基本整型的一維數(shù)組相比，雖然都是引用類(lèi)型，但數(shù)組的類(lèi)型是對(duì)象型，不過(guò)值都是一樣為null，對(duì)象數(shù)組值為null的內(nèi)存模型和基本類(lèi)型數(shù)組的模型一樣，如圖1所示。用new分配3個(gè)長(zhǎng)度的空間，Student []stu = new Student[3]，因?yàn)?個(gè)數(shù)組元素都為對(duì)象型的變量，初始默認(rèn)值為null，還不能使用，內(nèi)存模型如圖4所示。要想使用數(shù)組中的每個(gè)數(shù)組元素，需要分別給各個(gè)數(shù)組元素補(bǔ)充完整信息，如圖5所示。給數(shù)組的首元素賦值，有兩個(gè)屬性分為姓名“l(fā)isi”和年齡“18”，即可使用首元素。

2.2 字符串類(lèi)型

圖6為字符串對(duì)象模型，當(dāng)用戶(hù)聲明一個(gè)字符串類(lèi)型引用變量時(shí)，如String s1，變量s在棧內(nèi)存中被分配空間，其值為null，系統(tǒng)只為變量分配了引用空間，還沒(méi)有創(chuàng)建具體對(duì)象。當(dāng)new關(guān)鍵字調(diào)用構(gòu)造方法后才創(chuàng)建對(duì)象，并將對(duì)象的引用賦值給字符串引用類(lèi)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(lèi)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(yùn)行結(jié)果，程序中兩個(gè)if語(yǔ)句描述了字符串等號(hào)“= =”和equals方法的功能。String s1=new String（"def"）； String s2=new String（"def"），由字符串String類(lèi)產(chǎn)生了兩個(gè)字符串對(duì)象，分別為s1和s2。第一個(gè)if語(yǔ)句if（s1= =s2）的結(jié)果是s1！=s2，第二個(gè)if語(yǔ)句if（s1.equals（s2））的結(jié)果是s1 equals s2。分析結(jié)果產(chǎn)生的根源要從內(nèi)存模型來(lái)解釋。s1和s2是兩個(gè)引用（字符串）類(lèi)型的變量，當(dāng)兩個(gè)字符串引用類(lèi)型的變量作“= =”比較時(shí)，表面上是比較兩個(gè)變量的值，但該值不同于簡(jiǎn)單變量的數(shù)值，引用類(lèi)型變量的值實(shí)質(zhì)上指的是地址，它們分別為兩個(gè)不同的字符串常量，因此其地址肯定不相等。但兩個(gè)變量表示的字符串內(nèi)容相等，都是“def”，采用equals方法的作用是比較兩個(gè)變量代表的內(nèi)容，如圖6所示。

另外，程序中用來(lái)給變量賦值的常量（如數(shù)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(shù)據(jù)信息，里面除了基本數(shù)據(jù)類(lèi)型和引用類(lèi)型的常量外，還包含一些文本形式的符號(hào)引用，比如：類(lèi)、變量、方法及接口的名稱(chēng)和描述符。對(duì)于String類(lèi)型的常量，它的值存放在常量池中。在JVM中，常量池在內(nèi)存中是以表的形式存在。對(duì)于String類(lèi)型，有一張固定長(zhǎng)度的常量字符串信息表，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)文字字符串值，而不存儲(chǔ)符號(hào)引用。位于.class字節(jié)碼文件中的常量，在運(yùn)行期間由JVM自行裝載，還具有擴(kuò)充功能。String類(lèi)中的intern即是擴(kuò)充常量池的一個(gè)方法。

3 方法調(diào)用時(shí)變量?jī)?nèi)存模型

圖7為方法調(diào)用模型1，圖8為方法調(diào)用模型2，自定義方法中有無(wú)參數(shù)（方法中的參數(shù)稱(chēng)為形式參數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)形參）都可以。方法中若有參數(shù)將帶來(lái)程序的靈活性，參數(shù)類(lèi)型由用戶(hù)根據(jù)具體需要設(shè)定?；緮?shù)據(jù)類(lèi)型變量之間的值傳遞是簡(jiǎn)單的單向傳遞。JVM中傳遞各種類(lèi)型變量值的方法主要分為3種：①方法的參數(shù)為簡(jiǎn)單變量，進(jìn)行單向值傳遞；②方法的參數(shù)為數(shù)組變量，進(jìn)行地址傳遞；③方法的參數(shù)為對(duì)象變量，進(jìn)行地址傳遞。在如下代碼段中，fn1方法有3個(gè)重載的方法，參數(shù)分別為整型變量、數(shù)組變量和對(duì)象變量，試分析程序的運(yùn)行結(jié)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(yùn)行結(jié)果可知，在Java中，對(duì)于方法fn1，簡(jiǎn)單變量的值傳遞與其它語(yǔ)言中簡(jiǎn)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(diào)用過(guò)程中不會(huì)改變?cè)兄?，并且JVM中所有的簡(jiǎn)單變量都保存在棧內(nèi)存中，與堆內(nèi)存沒(méi)有聯(lián)系，具體如圖7所示；對(duì)于方法fn2和fn3，當(dāng)數(shù)組或?qū)ο笞鳛榉椒ǖ膮?shù)時(shí)，因?yàn)閭鬟f的是地址，地址改變時(shí)，原來(lái)的值也跟隨改變，具體如圖8所示。

4 內(nèi)部類(lèi)內(nèi)存模型

類(lèi)的成員除變量和方法外，還可以有另一個(gè)成員內(nèi)部類(lèi)。內(nèi)部類(lèi)（也稱(chēng)Inner Class）指在一個(gè)類(lèi)中定義的另外一個(gè)類(lèi)。內(nèi)部類(lèi)和外部類(lèi)的定義方式一樣，其擁有自己獨(dú)立的屬性和方法，并將它們封裝在一個(gè)類(lèi)中。內(nèi)部類(lèi)擁有和方法一樣的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，可以聲明為public、protected、default和private。內(nèi)部類(lèi)將邏輯上相關(guān)的一組類(lèi)組織起來(lái)，由外部類(lèi)（OuterDemo Class）來(lái)控制其可見(jiàn)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(chǎn)生3個(gè).class文件，一個(gè)是含有main方法的Test類(lèi)的Test.class，一個(gè)是外部類(lèi)的OuterDemo.class文件，還有一個(gè)是內(nèi)部類(lèi)的OuterDemo$ Inner.class文件，運(yùn)行結(jié)果打印輸出為50。程序中將成員變量n的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限設(shè)置為私有的（private），檢驗(yàn)外部類(lèi)的私有變量n能夠被內(nèi)部類(lèi)Inner中的fn2（ ）方法所訪(fǎng)問(wèn)。如果私有變量都能被訪(fǎng)問(wèn)，外部類(lèi)中其它的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，共有的、受保護(hù)的和友好的則也能被內(nèi)部類(lèi)的成員訪(fǎng)問(wèn)。主要當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)部類(lèi)對(duì)象時(shí)，它與外部類(lèi)對(duì)象之間便產(chǎn)生了一種聯(lián)系，這種聯(lián)系是通過(guò)一個(gè)特殊變量this搭建的，從而使內(nèi)部類(lèi)對(duì)象能隨意訪(fǎng)問(wèn)外部類(lèi)中的所有成員。具體內(nèi)存模型如圖9所示。

5 結(jié)語(yǔ)

JVM定義了各種變量的內(nèi)存模型狀態(tài)，每個(gè)變量都在自己的內(nèi)存空間中活動(dòng)，同時(shí)又與其它內(nèi)存建立聯(lián)系。Java自動(dòng)管理?xiàng)?nèi)存和堆內(nèi)存，程序員不能直接設(shè)置棧內(nèi)存或堆內(nèi)存，棧內(nèi)存中放置基本類(lèi)型、局部變量和引用變量的值。引用變量存放在棧內(nèi)存中，對(duì)象內(nèi)容根據(jù)創(chuàng)建方式而定，由編譯器事先創(chuàng)建好并存放在常量池中，程序運(yùn)行時(shí)由new調(diào)用構(gòu)造方法創(chuàng)建的對(duì)象，存放在堆內(nèi)存中。 棧的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)共享、存取速度快；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)大小與生存期必須是確定的，缺少靈活性。

堆內(nèi)存放置new調(diào)用構(gòu)造方法創(chuàng)建的對(duì)象。一旦在堆中產(chǎn)生數(shù)組或?qū)ο蠛螅梢栽跅Ｖ新暶饕粋€(gè)特殊變量，變量的值等于數(shù)組或?qū)ο笤诙褍?nèi)存中的首地址，棧里聲明的特殊變量則成了數(shù)組或?qū)ο蟮囊米兞?。其?shí)，棧內(nèi)存中的變量指向堆內(nèi)存中的對(duì)象，可以被理解為JVM中的指針。由于堆內(nèi)存分配是在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行的，所以堆內(nèi)存的存取速度相對(duì)于棧內(nèi)存而言較慢。

String類(lèi)表示一個(gè)字符串，在Java中所有的文字串，例如“abc”都是作為String類(lèi)的實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)的。String類(lèi)是Java中一個(gè)特殊的封裝類(lèi)，它被聲明為final，用戶(hù)不能從String類(lèi)派生出其它類(lèi)，一個(gè)String類(lèi)的對(duì)象是一個(gè)常量，創(chuàng)建之后值不能被改變。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）