按照編譯原理的觀點,程序運行時的內(nèi)存分配有三種策略,分別是靜態(tài)的,棧式的,和堆式的.
靜態(tài)存儲分配是指在編譯時就能確定每個數(shù)據(jù)目標在運行時刻的存儲空間需求,因而在編譯時就可以給他們分配固定的內(nèi)存空間.這種分配策略要求程序代碼中不允許有可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(比如可變數(shù)組)的存在,也不允許有嵌套或者遞歸的結(jié)構(gòu)出現(xiàn),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.
棧式存儲分配也可稱為動態(tài)存儲分配,是由一個類似于堆棧的運行棧來實現(xiàn)的.和靜態(tài)存儲分配相反,在棧式存儲方案中,程序?qū)?shù)據(jù)區(qū)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,但是規(guī)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(shù)據(jù)區(qū)大小才能夠為其分配內(nèi)存.和我們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所熟知的棧一樣,棧式存儲分配按照先進后出的原則進行分配。
靜態(tài)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(nèi)存可以按照任意順序分配和釋放.
2.2 堆和棧的比較
上面的定義從編譯原理的教材中總結(jié)而來,除靜態(tài)存儲分配之外,都顯得很呆板和難以理解,下面撇開靜態(tài)存儲分配,集中比較堆和棧:
從堆和棧的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(zhí)行程序的.而這種不同又主要是由于堆和棧的特點決定的:
在編程中，例如C/C++中，所有的方法調(diào)用都是通過棧來進行的,所有的局部變量,形式參數(shù)都是從棧中分配內(nèi)存空間的。實際上也不是什么分配,只是從棧頂向上用就行,就好像工廠中的傳送帶(conveyor belt)一樣,Stack Pointer會自動指引你到放東西的位置,你所要做的只是把東西放下來就行.退出函數(shù)的時候，修改棧指針就可以把棧中的內(nèi)容銷毀.這樣的模式速度最快, 當然要用來運行程序了.需要注意的是,在分配的時候,比如為一個即將要調(diào)用的程序模塊分配數(shù)據(jù)區(qū)時,應事先知道這個數(shù)據(jù)區(qū)的大小,也就說是雖然 分配是在程序運行時進行的,但是分配的大小多少是確定的,不變的,而這個"大小多少"是在編譯時確定的,不是在運行時.
堆是應用程序在運行的時候請求操作系統(tǒng)分配給自己內(nèi)存，由于從操作系統(tǒng)管理的內(nèi)存分配,所以在分配和銷毀時都要占用時間，因此用堆的效率非常低.但是堆的優(yōu)點在于,編譯器不必知道要從堆里分配多少存儲空間，也不必知道存儲的數(shù)據(jù)要在堆里停留多長的時間,因此,用堆保存數(shù)據(jù)時會得到更大的靈活性。事實上,面向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)性,堆內(nèi)存分配是必不可少的,因為多態(tài)變量所需的存儲空間只有在運行時創(chuàng)建了對象之后才能確定.在C++中，要求創(chuàng)建一個對象時，只需用 new命令編制相關(guān)的代碼即可。執(zhí)行這些代碼時，會在堆里自動進行數(shù)據(jù)的保存.當然，為達到這種靈活性，必然會付出一定的代價:在堆里分配存儲空間時會花掉更長的時間！這也正是導致我們剛才所說的效率低的原因,看來列寧同志說的好,人的優(yōu)點往往也是人的缺點,人的缺點往往也是人的優(yōu)點(暈~).
2.3 JVM中的堆和棧
JVM是基于堆棧的虛擬機.JVM為每個新創(chuàng)建的線程都分配一個堆棧.也就是說,對于一個Java程序來說，它的運行就是通過對堆棧的操作來完成的。堆棧以幀為單位保存線程的狀態(tài)。JVM對堆棧只進行兩種操作:以幀為單位的壓棧和出棧操作。
我們知道,某個線程正在執(zhí)行的方法稱為此線程的當前方法.我們可能不知道,當前方法使用的幀稱為當前幀。當線程激活一個Java方法,JVM就會在線程的 Java堆棧里新壓入一個幀。這個幀自然成為了當前幀.在此方法執(zhí)行期間,這個幀將用來保存參數(shù),局部變量,中間計算過程和其他數(shù)據(jù).這個幀在這里和編譯原理中的活動紀錄的概念是差不多的.
從Java的這種分配機制來看,堆棧又可以這樣理解:堆棧(Stack)是操作系統(tǒng)在建立某個進程時或者線程(在支持多線程的操作系統(tǒng)中是線程)為這個線程建立的存儲區(qū)域，該區(qū)域具有先進后出的特性。
每一個Java應用都唯一對應一個JVM實例，每一個實例唯一對應一個堆。應用程序在運行中所創(chuàng)建的所有類實例或數(shù)組都放在這個堆中,并由應用所有的線程共享.跟C/C++不同，Java中分配堆內(nèi)存是自動初始化的。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(nèi)存，在堆中分配的內(nèi)存實際建立這個對象，而在堆棧中分配的內(nèi)存只是一個指向這個堆對象的指針(引用)而已。
JVM運行時，將內(nèi)存分為堆和棧，堆中存放的是創(chuàng)建的對象，JAVA字符串對象內(nèi)存實現(xiàn)時，在堆中開辟了一快很小的內(nèi)存，叫字符串常量池，用來存放特定的字符串對象。
關(guān)于String對象的創(chuàng)建，兩種方式是不同的，第一種不用new的簡單語法，即
String s1="JAVA";
創(chuàng)建步驟是先看常量池中有沒有與"JAVA"相同的的字符串對象，如果有，將s1指向該對象，若沒有，則創(chuàng)建一個新對象，并讓s1指向它。
第二種是new語法
String s2="JAVA";
這種語法是在堆而不是在常量池中創(chuàng)建對象，并將s2指向它，然后去字符串常量池中看看，是否有與之相同的內(nèi)容的對象，如果有，則將new出來的字符串對象與字符串常量池中的對象聯(lián)系起來，如果沒有，則在字符串常量池中再創(chuàng)建一個包含該內(nèi)容的字符串對象，并將堆內(nèi)存中的對象與字符串常量池中新建出來的對象聯(lián)系起來。
這就是字符串的一次投入，終生回報的內(nèi)存機制，對字符串的比較帶來好處。