Java 面試 02 - JVM 的 Stack 和 Heap

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請比較 JVM 記憶體的 Stack 和 Heap

這題非常容易考到,而且翻譯十分混亂,盡量用原文去表達比較好,Stack 繁中為 堆疊 、簡中為,Heap 繁中為 堆積 、簡中為

要特別注意的是,這邊的 Stack 和 Heap 並不是在指資料結構,而是指 JVM 記憶體管理 的部分。

聲明:

這些內容比較簡略、粗糙,忽略了很多細節,只揀選能回答到問題的部份去解說,並不是百分之百準確,除非每一題都有兩個小時以上的回答時間,否則這些內容應該足夠回答到面試官想聽的點。如果你真的很在乎每一個部份的細節內容,你不該讀我的筆記,而是去讀文件,自己寫自己的筆記。當然,我會隨著越講越深入而帶入更多細節的部份,但是我也需要考量文章篇幅以及流暢度。

若有任何錯誤或遺漏之處,請在底下用力鞭我,不用客氣,隱瞞缺失比直指痛處更讓人害怕。


首先,Java 檔經過編譯後所產生的 Class 檔 (bytecode),只能運行在 JVM 上,而 JVM 在運算時,如同一般電腦一樣,需要記憶體儲存運算所需的資料及指令,而 JVM 記憶體中的 StackHeap 最常被拿來做比較 (記憶體中當然還有其他部份,包括 Method Area、PC Register、Native Method Stack,但不在本篇討論範圍)。

JVM 記憶體的 Stack 和 Heap 絕對不要和其他同名的東西搞混,在這裡是做為 JVM 儲存資料或指令的區域,和其他同名的東西無關,請把它當作平行宇宙看待。


Java 中的資料型態

分為兩種:

1. Primitive Type 基本型態

  • 共有 8 種:intshortlongbytefloatdoublebooleanchar
  • 這種類型是通過如 int a = 3; long b = 123L;的方式宣告。
  • 長度及生命週期都為可知 (程式碼區塊執行完就扔掉)。
  • 運算速度快,但長度與內容受限。

2. Class Type / Reference Type 類別型態 / 參考型態

  • 其他大都屬於此類別,如 IntegerStringLong 以及自行定義的類別 (ex. User) 等。
  • 這種類型通常都需要用 new 去創建,如 User user = new User("Mark");
  • 因為是在執行時才動態創建,所以長度及生命週期都不可預知。
  • 靈活但運算較耗時。

Stack 堆疊、棧

複習一下 前一章 所提到的: 每一個 Thread 擁有自己的 Stack,Stack 是用來儲存函數路徑及區域變數,Thread 之間的 Stack 互相獨立。

Stack 是一種 後進先出 (FILO) 的容器,具有存取速度快和管理簡單的特點。由於 Java 中變數跟函式的生命週期都為 後進先出 ,也就是越晚產生的會越先被回收或銷毀,所以 Stack 非常適合做為這種可預測性的資料,如 區域變數、函式參數與函式返回位址 等等,的儲存容器。

因為 Stack 中的資料生命週期都是 規律 的,所以由系統自行去產生和回收空間即可,程式設計師不需要介入。


Heap 堆積、堆

還記得 前一章 提到 Process 的 Memory Space 是專門儲存共享資料 / 資源 的嗎?Heap 就屬於這種共享資料。

Class Type 在創建 實例 (Instance) 時 (ex. new User("Mark");),就是把資料放置於 Heap 中,系統會在 Heap 內找一塊區域放置此 User 實例的 屬性資料,也因為 Heap 存放的是共享資料,所以不論該實例是由哪一個 Thread 所創建的,同 Process 底下的其他 Thread 也可以進行存取。

因為實例的生命週期是不可預知的,系統較難以自行去回收空間,所幸,Java 的特色之一就是 Garbage Collection 機制 (簡稱 GC),會自動去清理 Heap 內已經 沒有被參考 (Reference) 的資料,當然,程式設計師可以撰寫程式去控制 GC 的行動,不過大多數情況下都 不建議 如此,過多的介入反而可能造成資源的浪費,未來 可能 會再寫一篇簡述 GC 是如何判斷哪些資料應該被清理。


範例

可能有人看到這邊仍是霧煞煞,以下我用簡單的程式來講解資料儲存實際上是如何運作。

1
2
3
int a = 123;
long b = 456L;
User c = new User("Mark", Gender.MALE);

以上程式碼的資料儲存順序大致上可以視為以下流程圖 (在此先不考慮 Constant Pool)

example

前兩行指令都是 Primitive Type,會在 Stack 內建立變數 ab,並將實際值 123456L 存放於變數內。

第三行指令要切分成兩個部份,等號右邊及左邊,首先是右邊的部份,先以 namegender 參數創建一個 User 實例,此時會在 Heap 中的一個位址 (ex. 0x1234) 存放實例的屬性資料 (ex. namegenderaddress…),並將實例所在的記憶體位址 (0x1234) 指定給變數 c 參考。

這篇是以變數為例子去比較兩者儲存方式的不同,至於「Stack 如何儲存函式」、「常數池 (Constant Pool) 是什麼」、「實例的 method 存放在哪」等等問題,留待後面文章再做解答。

從以上的例子可以發現,Stack 內的變數值分為兩種類型,一種為 Value Type 實質類別 ,儲存的是 實際的值 (ex. 123456L);另一種為 Reference Type 參考類別,儲存的是 資料在 Heap 中的記憶體位址 (ex. 0x1234)。


總結

  1. Stack 和 Heap 是 JVM 記憶體儲存資料或指令的區域。
  2. Java 的資料類型分為兩種:Primitive Type 和 Class Type。
  3. Stack 存取速度快,但資料長度及生命週期必須是預知的,用來儲存區域變數、函式參數與函式返回位址等資料。
  4. Heap 是 Class Type 創建實例時存放資料的地方,在 Heap 創建完成後會回傳所在的記憶體位址。
  5. 變數可能是 Primitive Type 或 Class / Reference Type 。若是 Primitive Type,則在 Stack 內的變數值為實際值;若是 Class / Reference Type,實例資料會儲存在 Heap 中,Stack 內的變數值為實例在 Heap 中的記憶體位址。
  6. User user = new User("Mark"); 的行為簡單來說是:
    i. 創建並儲存 User 實例 (name = Mark) 於 Heap 中。
    ii. 儲存完成後,回傳資料所在的記憶體位址。
    iii. 在 Stack 中新增變量 user
    iv. 將 ii. 所傳回的記憶體位址指定給 user 參考。
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