深入Java虛擬機(jī)：JVM中的Stack和Heap
在JVM中，內(nèi)存分為兩個(gè)部分，Stack（棧）和Heap（堆），這里，我們從JVM的內(nèi)存管理原理的角度來認(rèn)識(shí)Stack和Heap，并通過這些原理認(rèn)清Java中靜態(tài)方法和靜態(tài)屬性的問題。
一般，JVM的內(nèi)存分為兩部分：Stack和Heap。
Stack（棧）是JVM的內(nèi)存指令區(qū)。Stack管理很簡單，push一定長度字節(jié)的數(shù)據(jù)或者指令，Stack指針壓棧相應(yīng)的字節(jié)位移；pop一定字節(jié)長度數(shù)據(jù)或者指令，Stack指針彈棧。Stack的速度很快，管理很簡單，并且每次操作的數(shù)據(jù)或者指令字節(jié)長度是已知的。所以Java 基本數(shù)據(jù)類型，Java 指令代碼，常量都保存在Stack中。
Heap（堆）是JVM的內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)。Heap 的管理很復(fù)雜，每次分配不定長的內(nèi)存空間，專門用來保存對(duì)象的實(shí)例。在Heap 中分配一定的內(nèi)存來保存對(duì)象實(shí)例，實(shí)際上也只是保存對(duì)象實(shí)例的屬性值，屬性的類型和對(duì)象本身的類型標(biāo)記等，并不保存對(duì)象的方法（方法是指令，保存在Stack中）,在Heap 中分配一定的內(nèi)存保存對(duì)象實(shí)例和對(duì)象的序列化比較類似。而對(duì)象實(shí)例在Heap 中分配好以后，需要在Stack中保存一個(gè)4字節(jié)的Heap 內(nèi)存地址，用來定位該對(duì)象實(shí)例在Heap 中的位置，便于找到該對(duì)象實(shí)例。
由于Stack的內(nèi)存管理是順序分配的，而且定長，不存在內(nèi)存回收問題；而Heap 則是隨機(jī)分配內(nèi)存，不定長度，存在內(nèi)存分配和回收的問題；因此在JVM中另有一個(gè)GC進(jìn)程，定期掃描Heap ，它根據(jù)Stack中保存的4字節(jié)對(duì)象地址掃描Heap ，定位Heap 中這些對(duì)象，進(jìn)行一些優(yōu)化（例如合并空閑內(nèi)存塊什么的），并且假設(shè)Heap 中沒有掃描到的區(qū)域都是空閑的，統(tǒng)統(tǒng)refresh（實(shí)際上是把Stack中丟失了對(duì)象地址的無用對(duì)象清除了），這就是垃圾收集的過程；關(guān)于垃圾收集的更深入講解請(qǐng)參考51CTO之前的文章《JVM內(nèi)存模型及垃圾收集策略解析》。
JVM的體系結(jié)構(gòu)
我們首先要搞清楚的是什么是數(shù)據(jù)以及什么是指令。然后要搞清楚對(duì)象的方法和對(duì)象的屬性分別保存在哪里。
1）方法本身是指令的操作碼部分，保存在Stack中；
2）方法內(nèi)部變量作為指令的操作數(shù)部分，跟在指令的操作碼之后，保存在Stack中（實(shí)際上是簡單類型保存在Stack中，對(duì)象類型在Stack中保存地址，在Heap 中保存值）；上述的指令操作碼和指令操作數(shù)構(gòu)成了完整的Java 指令。
3）對(duì)象實(shí)例包括其屬性值作為數(shù)據(jù)，保存在數(shù)據(jù)區(qū)Heap 中。
非靜態(tài)的對(duì)象屬性作為對(duì)象實(shí)例的一部分保存在Heap 中，而對(duì)象實(shí)例必須通過Stack中保存的地址指針才能訪問到。因此能否訪問到對(duì)象實(shí)例以及它的非靜態(tài)屬性值完全取決于能否獲得對(duì)象實(shí)例在Stack中的地址指針。
非靜態(tài)方法和靜態(tài)方法的區(qū)別：
非靜態(tài)方法有一個(gè)和靜態(tài)方法很重大的不同：非靜態(tài)方法有一個(gè)隱含的傳入?yún)?shù)，該參數(shù)是JVM給它的，和我們?cè)趺磳懘a無關(guān)，這個(gè)隱含的參數(shù)就是對(duì)象實(shí)例在Stack中的地址指針。因此非靜態(tài)方法（在Stack中的指令代碼）總是可以找到自己的專用數(shù)據(jù)（在Heap 中的對(duì)象屬性值）。當(dāng)然非靜態(tài)方法也必須獲得該隱含參數(shù)，因此非靜態(tài)方法在調(diào)用前，必須先new一個(gè)對(duì)象實(shí)例，獲得Stack中的地址指針，否則JVM將無法將隱含參數(shù)傳給非靜態(tài)方法。
靜態(tài)方法無此隱含參數(shù)，因此也不需要new對(duì)象，只要class文件被ClassLoader load進(jìn)入JVM的Stack，該靜態(tài)方法即可被調(diào)用。當(dāng)然此時(shí)靜態(tài)方法是存取不到Heap 中的對(duì)象屬性的。
總結(jié)一下該過程：當(dāng)一個(gè)class文件被ClassLoader load進(jìn)入JVM后，方法指令保存在Stack中，此時(shí)Heap 區(qū)沒有數(shù)據(jù)。然后程序技術(shù)器開始執(zhí)行指令，如果是靜態(tài)方法，直接依次執(zhí)行指令代碼，當(dāng)然此時(shí)指令代碼是不能訪問Heap 數(shù)據(jù)區(qū)的；如果是非靜態(tài)方法，由于隱含參數(shù)沒有值，會(huì)報(bào)錯(cuò)。因此在非靜態(tài)方法執(zhí)行前，要先new對(duì)象，在Heap 中分配數(shù)據(jù)，并把Stack中的地址指針交給非靜態(tài)方法，這樣程序技術(shù)器依次執(zhí)行指令，而指令代碼此時(shí)能夠訪問到Heap 數(shù)據(jù)區(qū)了。
靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)屬性：
前面提到對(duì)象實(shí)例以及動(dòng)態(tài)屬性都是保存在Heap 中的，而Heap 必須通過Stack中的地址指針才能夠被指令（類的方法）訪問到。因此可以推斷出：靜態(tài)屬性是保存在Stack中的，而不同于動(dòng)態(tài)屬性保存在Heap 中。正因?yàn)槎际窃赟tack中，而Stack中指令和數(shù)據(jù)都是定長的，因此很容易算出偏移量，也因此不管什么指令（類的方法），都可以訪問到類的靜態(tài)屬性。也正因?yàn)殪o態(tài)屬性被保存在Stack中，所以具有了全局屬性。
在JVM中，靜態(tài)屬性保存在Stack指令內(nèi)存區(qū)，動(dòng)態(tài)屬性保存在Heap數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)。
【編輯推薦】
