详解Java的堆内存与栈内存的存储机制

堆与内存优化
    今天测了一个项目的数据自动整理功能，对数据库中几万条记录及图片进行整理操作，运行接近到最后，爆出了java.lang.outOfMemoryError，java heap space方面的错误，以前写程序很少遇到这种内存上的错误，因为java有垃圾回收器机制，就一直没太关注。今天上网找了点资料，在此基础上做了个整理。

 一、堆和栈

    堆—用new建立，垃圾回收器负责回收

         1、程序开始运行时，JVM从OS获取一些内存，部分是堆内存。堆内存通常在存储地址的底层，向上排列。              

         2、堆是一个"运行时"数据区，类实例化的对象就是从堆上去分配空间的；       

         3、在堆上分配空间是通过"new"等指令建立的，堆是动态分配的内存大小，生存期也不必事先告诉编译器；

         4、与C++不同的是，Java自动管理堆和栈，垃圾回收器可以自动回收不再使用的堆内存；       

         5、缺点是，由于要在运行时动态分配内存，所以内存的存取速度较慢。

    栈—存放基本类型和引用类型，速度快

         1、先进后出的数据结构,通常用于保存方法中的参数,局部变量；

         2、在java中,所有基本类型（short,int, long, byte, float, double,boolean, char）和引用类型的变量都在栈中存储；

         3、栈中数据的生存空间一般在当前scopes内(由{...}括起来的区域；

         4、栈的存取速度比堆要快，仅次于直接位于CPU中的寄存器；

         5、栈中的数据可以共享，多个引用可以指向同一个地址；

         6、缺点是，栈的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。

 二、内存设置

        1、查看虚拟机内存情况  

long maxControl = Runtime.getRuntime().maxMemory();//获取虚拟机可以控制的最大内存数量
long currentUse = Runtime.getRuntime().totalMemory();//获取虚拟机当前已使用的内存数量

                默认情况下，java虚拟机的maxControl=66650112B=63.5625M;

                什么都不做的情况，在我的机子上测得的currentUse=5177344B=4.9375M;

          2、设置内存大小的命令

             -Xms971f671fe497569bdb0616a45a44dc0f set initial Java heap size :设置JVM初始化堆内存大小；此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。

             -Xmx971f671fe497569bdb0616a45a44dc0f set maximum Java heap size:设置JVM最大的堆内存大小；

            -Xmn971f671fe497569bdb0616a45a44dc0f：设置年轻代大小,整个堆大小=年轻代大小+ 年老代大小+ 持久代大小。

             -Xss971f671fe497569bdb0616a45a44dc0f set java thread stack size：设置JVM线程栈内存大小；
          3、具体操作
             （1）JVM内存设置：
              打开MyEclipse(Eclipse)  window－preferences－Java －Installed JREs －Edit －Default VM Arguments   
              在VM自变量中输入：-Xmx128m -Xms64m -Xmn32m -Xss16m

             （2）IDE内存设置：

               在MyEclipse根目录下的myeclipse.ini(或Eclipse根目录下的eclipse.ini)中修改-vmargs  下的配置：

              （3）Tomcat内存设置

                   打开Tomcat根目录下的bin文件夹，编辑catalina.bat

                  修改为：set JAVA_OPTS= -Xms256m -Xmx512m

 三、Java堆中的OutOfMemoryError错误分析

       当JVM启动时，使用了-Xms 参数设置的堆内存。当程序继续进行，创建更多对象，JVM开始扩大堆内存以容纳更多对象。JVM也会使用垃圾回收器来回收内存。当快达到-Xmx设置的最大堆内存时，如果没有更多的内存可被分配给新对象的话，JVM就会抛出java.lang.outofmemoryerror，程序就会宕掉。在抛出 OutOfMemoryError之前，JVM会尝试着用垃圾回收器来释放足够的空间，但是发现仍旧没有足够的空间时，就会抛出这个错误。为了解决这个问题，需要清楚程序对象的信息，例如，你创建了哪些对象，哪些对象占用了多少空间等等。可以使用profiler或者堆分析器来处理OutOfMemoryError错误。"java.lang.OutOfMemoryError： Java heap space”表示堆没有足够的空间了，不能继续扩大了。"java.lang.OutOfMemoryError： PermGen space”表示permanent generation已经装满了，你的程序不能再装载类或者再分配一个字符串了。

四、堆和垃圾回收

　　我们知道对象创建在堆内存中，垃圾回收这样一个进程，它将已死对象清除出堆空间，并将这些内存再还给堆。为了给垃圾回收器使用，堆主要分成三个区域，分别叫作New Generation，Old Generation或叫Tenured Generation，以及Perm space。New Generation是用来存放新建的对象的空间，在对象新建的时候被使用。如果长时间还使用的话，它们会被垃圾回收器移动到Old Generation（或叫Tenured Generation）。Perm space是JVM存放Meta数据的地方，例如类，方法，字符串池和类级别的详细信息。

 五、总结：

　　1、Java堆内存是操作系统分配给JVM的内存的一部分。

　　2、当我们创建对象时，它们存储在Java堆内存中。

　　3、为了便于垃圾回收，Java堆空间分成三个区域，分别叫作New Generation， Old Generation或叫作Tenured Generation，还有Perm Space。

　　4、你可以通过用JVM的命令行选项 -Xms， -Xmx， -Xmn来调整Java堆空间的大小。

　　5、可以用JConsole或者Runtime.maxMemory(),Runtime.totalMemory(),Runtime.freeMemory()来查看Java中堆内存的大小。

　　6、可以使用命令“jmap”来获得heap dump，用“jhat”来分析heap dump。

　　7、Java堆空间不同于栈空间，栈空间是用来储存调用栈和局部变量的。

　　8、Java垃圾回收器是用来将死掉的对象（不再使用的对象）所占用的内存回收回来，再释放到Java堆空间中。

　　9、当遇到java.lang.outOfMemoryError时，不必紧张，有时候仅仅增加堆空间就可以了，但如果经常出现的话，就要看看Java程序中是不是存在内存泄露了。

　　10、使用Profiler和Heap dump分析工具来查看Java堆空间，可以查看给每个对象分配了多少内存。

栈存储详解

Java栈存储具有以下几个特点：

一、存在栈中的数据大小和生命周期必须是确定的。

      如基本类型的存储：int a = 1; 这种变量存的是字面值，a是一个指向int类型的引用，指向3这个字面值。这些字面值的数据，由于大小可知，生存期可知(这些字面值固定定义在某个程序块里面，程序块退出后，字面值就消失了)，出于追求速度的原因，就存在于栈中。

二、存在栈中的数据可以共享。

    (1)、基本类型数据存储：

   如：

int a = 3;
      int b = 3；

　编译器先处理int a = 3；首先它会在栈中创建一个变量为a的引用，然后查找有没有字面值为3的地址，没找到，就开辟一个存放3这个字面值的地址，然后将a指向3的地址。接着处理int b = 3；在创建完b的引用变量后，由于在栈中已经有3这个字面值，便将b直接指向3的地址。这样，就出现了a与b同时均指向3的情况。

注意：这种字面值的引用与类对象的引用不同。假定两个类对象的引用同时指向一个对象，如果一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态，那么另一个对象引用变量也即刻反映出这个变化。相反，通过字面值的引用来修改其值，不会导致另一个指向此字面值的引用的值也跟着改变的情况。如上例，我们定义完a 与b的值后，再令a=4；那么，b不会等于4，还是等于3。在编译器内部，遇到a=4；时，它就会重新搜索栈中是否有4的字面值，如果没有，重新开辟地址存放4的值；如果已经有了，则直接将a指向这个地址。因此a值的改变不会影响到b的值。

   (2)、包装类数据存储：

   如Integer, Double, String等将相应的基本数据类型包装起来的类。这些类数据全部存在于堆中，Java用new()语句来显示地告诉编译器，在运行时才根据需要动态创建，因此比较灵活，但缺点是要占用更多的时间。

   如：以String为例。

    String是一个特殊的包装类数据。即可以用String str = new String("abc");的形式来创建，也可以用String str = "abc"；的形式来创建。前者是规范的类的创建过程，即在Java中，一切都是对象，而对象是类的实例，全部通过new()的形式来创建。Java 中的有些类，如DateFormat类，可以通过该类的getInstance()方法来返回一个新创建的类，似乎违反了此原则。其实不然。该类运用了单例模式来返回类的实例，只不过这个实例是在该类内部通过new()来创建的，而getInstance()向外部隐藏了此细节。

    那为什么在String str = "abc"；中，并没有通过new()来创建实例，是不是违反了上述原则？其实没有。

    关于String str = "abc"的内部工作。Java内部将此语句转化为以下几个步骤：
　 a、先定义一个名为str的对String类的对象引用变量：String str；
　 b、在栈中查找有没有存放值为"abc"的地址，如果没有，则开辟一个存放字面值为"abc"的地址，接着创建一个新的String类的对象O，并将O的字符串值指向这个地址，而且在栈中这个地址旁边记下这个引用的对象O。如果已经有了值为"abc"的地址，则查找对象O，并返回O的地址。
    c、将str指向对象O的地址。
　值得注意的是，通常String类中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；这种场合下，其字符串值却是保存了一个指向存在栈中数据的引用（即：String str = "abc"；既有栈存储，又有堆存储）。

  为了更好地说明这个问题，我们可以通过以下的几个代码进行验证。

String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //true

（只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。str1与str2是否都指向了同一个对象）

  结果说明，JVM创建了两个引用str1和str2，但只创建了一个对象，而且两个引用都指向了这个对象。

String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
str1 = "bcd";
System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc
System.out.println(str1==str2); //false

　  这就是说，赋值的变化导致了类对象引用的变化，str1指向了另外一个新对象，而str2仍旧指向原来的对象。上例中，当我们将str1的值改为"bcd"时，JVM发现在栈中没有存放该值的地址，便开辟了这个地址，并创建了一个新的对象，其字符串的值指向这个地址。

　　事实上，String类被设计成为不可改变(immutable)的类。如果你要改变其值，可以，但JVM在运行时根据新值悄悄创建了一个新对象（没法在原来内存的基础上改变其值），然后将这个对象的地址返回给原来类的引用。这个创建过程虽说是完全自动进行的，但它毕竟占用了更多的时间。在对时间要求比较敏感的环境中，会带有一定的不良影响。

String str1 = "abc";
String str2 = "abc";
str1 = "bcd";
String str3 = str1;
System.out.println(str3); //bcd
String str4 = "bcd";
System.out.println(str1 == str4); //true

　  str3这个对象的引用直接指向str1所指向的对象(注意，str3并没有创建新对象)。当str1改完其值后，再创建一个String的引用str4，并指向因str1修改值而创建的新的对象。可以发现，这回str4也没有创建新的对象，从而再次实现栈中数据的共享。

String str1 = new String("abc");
String str2 = "abc";
System.out.println(str1==str2); //false

　创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。

String str1 = "abc";
 String str2 = new String("abc");
 System.out.println(str1==str2); //false

　创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。

　　以上两段代码说明，只要是用new()来新建对象的，都会在堆中创建，而且其字符串是单独存值的，即使与栈中的数据相同，也不会与栈中的数据共享。

　总结：

　　(1)我们在使用诸如String str = "abc"；的格式定义类时，总是想当然地认为，我们创建了String类的对象str。担心陷阱！对象可能并没有被创建！唯一可以肯定的是，指向 String类的引用被创建了。至于这个引用到底是否指向了一个新的对象，必须根据上下文来考虑，除非你通过new()方法来显要地创建一个新的对象。因此，更为准确的说法是，我们创建了一个指向String类的对象的引用变量str，这个对象引用变量指向了某个值为"abc"的String类。清醒地认识到这一点对排除程序中难以发现的bug是很有帮助的。

　　(2)使用String str = "abc"；的方式，可以在一定程度上提高程序的运行速度，因为JVM会自动根据栈中数据的实际情况来决定是否有必要创建新对象。而对于String str = new String("abc")；的代码，则一概在堆中创建新对象，而不管其字符串值是否相等，是否有必要创建新对象，从而加重了程序的负担。

　　(3)由于String类的immutable性质（因为包装类的值不可修改），当String变量需要经常变换其值时，应该考虑使用StringBuffer类，以提高程序效率。

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