堆栈这个概念存在于数据机构中,也存在于jvm虚拟机中,但是这两个概念不是相同的。
在数据结构中,堆和栈是数据结构,堆是完全二叉树,堆中个元素是有序的。在这个二叉树中所哟的双亲节点和孩子及诶到哪存在着大小关系,如所有的双亲接纳都大于孩子节点则为大头对,如果所有的双亲节点都小于其孩子及诶到哪说明这是一个小头堆,建堆的过程就是一个排序的过程,堆的查询效率也很高。而栈是一种特殊的线性表,具有先进后出,只允许在一端(栈顶)插入、删除的特点。
在jvm虚拟机中得堆栈对应内存的不同区域,和数据结构中所说的堆栈是两码事。
下面介绍jvm中得堆栈以及jvm内存分配:
JVM的体系结构如下:
如下图所示,JVM的体系结构包含几个主要的子系统和内存区:
类装载子系统 ,负责把类从文件系统中装入内存
GC子系统 ,垃圾收集器的主要工作室自动回收不再运行的程序引用对象所占用的内存,此外,它还可能负责那些还在使用的对象,以减少的堆碎片。
内存区 ,用于存储字节码,程序运行时创建的对象,传递给方法的参数,返回值,局部变量和中间计算结果。
1、最简单的:一次性解释字节码。
2、快,但消耗内存的:“即时编译器”,第一次被执行的字节码会被编译成机器代码,放入缓存,以后调用可以重用。
3、自适应优化器,虚拟机开始的时候会解释字节码,但是会监视运行中程序的活动,并记录下使用最频繁的代码段。程序运行的时候,虚拟机只把使用最频繁的代码编译成本地代码,其他的代码由于使用的并不频繁,继续保留为字节码--由虚拟机继续解释他们。一般可以使java虚拟机80%~90%的时间里执行被优化过的本地代码,只需要编译10%~20%对性能优影响的代码。
4、由硬件芯片组成,他用本地方法执行java字节码,这种执行引擎实际上是内嵌在芯片里的。
2. Java的内存分配
在Java程序运行过程中,JVM定义了各种区域用于存储运行时数据。其中的有些数据区域在JVM启动时创建,并只在JVM退出时销毁。其它的数据区域与每个线程相关。这些数据区域,在线程创建时创建,在线程退出时销毁。
2.1 程序计数器寄存器(The pc
Register)
JVM支持多个线程同时运行。每个JVM都有自己的程序计数器。在任何一个点,每个JVM线程执行单个方法的代码,这个方法是线程的当前方法。如果方法不是native的,程序计数器寄存器包含了当前执行的JVM指令的地址,如果方法是 native的,程序计数器寄存器的值不会被定义。 JVM的程序计数器寄存器的宽度足够保证可以持有一个返回地址或者native的指针。
2.2 栈
1)栈与线程
JVM是基于栈的虚拟机.JVM为每个新创建的线程都分配一个栈.也就是说,对于一个Java程序来说,它的运行就是通过对栈的操作来完成的。栈以帧为单位保存线程的状态。JVM对栈只进行两种操作:以帧为单位的压栈和出栈操作。
我们知道,某个线程正在执行的方法称为此线程的当前方法.我们可能不知道,当前方法使用的帧称为当前帧。当线程激活一个Java方法,JVM就会在线程的 Java堆栈里新压入一个帧。这个帧自然成为了当前帧.在此方法执行期间,这个帧将用来保存参数,局部变量,中间计算过程和其他数据.这个帧在这里和编译原理中的活动纪录的概念是差不多的.
从Java的这种分配机制来看,堆栈又可以这样理解:栈(Stack)是操作系统在建立某个进程时或者线程(在支持多线程的操作系统中是线程)为这个线程建立的存储区域,该区域具有先进后出的特性。
2)栈中的方法调用
嵌套方法的出栈和入栈示意图:
上图中描述了嵌套方法时,stack的内存分配图,由上面可以知道,当嵌套方法调用时,嵌套越深,stack的内存就越晚才能释放,因此,在实际开发过程中,不推荐大家使用递归来进行方法的调用,递归很容易导致stack flow。
非嵌套方法的出栈入栈过程:
2.3 堆
每一个Java应用都唯一对应一个JVM实例,每一个实例唯一对应一个堆。应用程序在运行中所创建的所有类实例或数组都放在这个堆中,并由应用所有的线程共享.跟C/C++不同,Java中分配堆内存是自动初始化的。Java中所有对象的存储空间都是在堆中分配的,但是这个对象的引用却是在堆栈中分配,也就是说在建立一个对象时从两个地方都分配内存,在堆中分配的内存实际建立这个对象,而在堆栈中分配的内存只是一个指向这个堆对象的指针(引用)而已。
2.4 堆和栈的区别
1. 栈(stack)与堆(heap)都是Java用来在Ram中存放数据的地方 。与C++不同,Java自动管理栈和堆,程序员不能直接地设置栈或堆。
2. 栈的优势是,存取速度比堆要快 ,仅次于直接位于CPU中的寄存器。但缺点是,存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的,缺乏灵活性。另外,栈数据可以共享,详见第3点。堆的优势是可以动态地分配内存大小,生存期也不必事先告诉编译器,Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。但缺点是,由于要在运行时动态分配内存,存取速度较慢。
3. 方法区
JVM有一个被所有的线程共享方法区。方法区类似于传统语言的编译后代码的存储区,或者UNIX进程中的text段。它存储每个类结构例如常量池(constant pool),成员字段域和方法和构造函数,包含类和实例初始化和接口类型类型中用到的特殊方法的代码。
方法区在虚拟机启动时创建。尽管方法区在逻辑上时heap的一部分,简单的实现仍然可以选择对它既不回收也不压缩。
The Java virtual machine has a method area that is shared among all Java virtual machine threads. The method area is analogous to the storage area for compiled code of a conventional language or analogous to the "text" segment in a UNIX process. It stores per-class structures such as the runtime constant pool, field and method data, and the code for methods and constructors, including the special methods (§3.9) used in class and instance initialization and interface type initialization.
The method area is created on virtual machine start-up. Although the method area is logically part of the heap, simple implementations may choose not to either garbage collect or compact it. This version of the Java virtual machine specification does not mandate the location of the method area or the policies used to manage compiled code. The method area may be of a fixed size or may be expanded as required by the computation and may be contracted if a larger method area becomes unnecessary. The memory for the method area does not need to be contiguous.
A Java virtual machine implementation may provide the programmer or the user control over the initial size of the method area, as well as, in the case of a varying-size method area, control over the maximum and minimum method area size.
Java中变量分为静态变量,实例变量,临时变量。那么各种变量具体保存在JVM中的何处呢?
1 静态变量:位于方法区。
2 实例变量:作为对象的一部分,保存在堆中。
3 临时变量:保存于栈中,栈随线程的创建而被分配。
注:常量:位于常量池,而常量池位于方法区,若JVM采用的是分代垃圾回收,则方法区就是Perm区(永久存储区)。