編程易筋經：內存解析之實例講解

一、引言

        作爲一名優秀的編程人員我們不能會敲代碼，我們還必須要懂得那些代碼在計算機中是如何一步步執行的。只有這樣我們才能寫出經久不衰，經得起考驗，更優秀的代碼，開發出更好的軟件。我們都知道任何代碼的執行都是在內存中進行的，其實也就是對內存單元的操作。不論任何語言，對內存的操作都是它們的核心，最根本的東西，所以這是我們學通任何一門語言必須掌握的東西。曾有人對內存解析在編程語言學習中的重要性，做過這樣一個比喻：內存解析就好比武功祕籍中的易筋經，只要學會了它，再去學習任何武功，都會變的輕而易舉。由此可見內存解析在編程語言中的重要性。下面我們來詳細的解析一下。

       要想學懂內存解析，我們得先來看看計算機中的內存結構佈局。一張圖勝過千言萬語，我們先來一張圖Look，Look。

           這是一個Java程序代碼在計算機內存中的完整的執行過程。從圖中我們可以看到，計算機的內存分爲四個區域，分別是堆（heap）區，棧（stack）區，數據區（data segment），代碼區（code segment）。具體在Java語言中它們都是用來幹嘛的呢？請仔細看這幅圖。

二、內存塊劃分

1. 堆

         用來存放new出來的東西，如 new出來的類對象，數組，會放到這裏。在堆中產生了一個數組或對象後，還可以在棧中定義一個特殊的變量，讓棧中這個變量的取值等於數組或對象在堆內存中的首地址，棧中的這個變量就成了數組或對象的引用變量。引用變量就相當於是爲數組或對象起的一個別名，以後就可以在程序中使用棧中的引用變量來訪問堆中的數組或對象。引用變量是普通的變量，定義時在棧中分配，引用變量在程序運行到其作用域之外後被釋放。而數組和對象本身在堆中分配，即使程序運行到使用 new 產生數組或者對象的語句所在的代碼塊之外，數組和對象本身佔據的內存不會被釋放。數組和對象在沒有引用變量指向它的時候，就會變爲垃圾，不能再被使用，但仍然佔據內存空間不放，在隨後的一個不確定的時間被垃圾回收器收走（釋放掉）。這也是 Java 比較佔內存的原因。

2. 棧 

       用來存放基本類型的數據和對象的引用，但對象本身不存放在棧中，而是存放在堆中。比如，存放局部變量，方法的形參，臨時的返回值等。當在一段代碼塊定義一個變量時，Java就在棧中爲這個變量分配內存空間，當該變量退出該作用域後，Java會自動釋放掉爲該變量所分配的內存空間，該內存空間可以立即被另作他用。 

3.數據區

     用來存放靜態變量，常量，字符串等。

4. 代碼區

    當然用來存放程序代碼的了，比如調用對象的方法體時，必須得到這個區域來調用。

       分析到這裏相信大家，都已經明白了。而對於這張圖的程序執行過程相信大家都能看得懂，在這裏就不贅述了。下面我們通過舉幾個具體的實例來詳細解析。

三、舉例說明

1. 簡單變量初始化

public class Test {
	public static void main(String []are) {

			int a = 5;
			double b = 5.0;
			String c = "內存分析";
						
			System.out.println(a + b);
			System.out.println(c);
		
							
	}
}

   我們來詳細的分析一下這個小程序在內存中的執行情況。分析任何程序，我們必須先從Main方法開始分析。詳細過程見下圖 ：

程序執行內存解析圖 ：

解析：（先從Main方法開始分析）

    首先main方法在棧中建立一int類型內存單元 a 存放5，再建立一double型的內存單元b存放5.0，再建立一引用型內存單元c，在data segment區建立一字符串對象存放“內存分析”，然後c指向該字符串對象，再然後在棧中建立一臨時內存單元來存放a+b的和，最後分別輸出到屏幕。mian方法執行完，java的垃圾回收器把內存清理乾淨。

2. 類的實例化過程

class Point {
	double x;
	double y;
	double z;
	
	public Point(double _x, double _y, double _z) {
		x = _x;
		y = _y;
		z = _z;
	}
	
	public void setX(double _x) {
		x = _x;
	}
	
	public void setY(double _y) {
		y = _y;
	}
	
	public void setZ(double _z) {
		z = _z;
	}
	
	public double getDistance(Point p) {
		return (p.x-x)*(p.x-x) + (p.y-y)*(p.y-y) + (p.z-z)*(p.z-z);
	}
}

public class TestPoint {
	public static void main(String []arge) {
		Point p = new Point(1.0,2.0,3.0);
		Point p1 = new Point(0.0,0.0,0.0);
		System.out.println(p.getDistance(p1));
		
	}
}

程序執行內存解析圖 ：

解析：（同樣先從Main方法開始分析）

1. 在棧中創建一Point類型引用變量 P 

2. 在堆中創建一Point類型的對象（創建對象的過程實質是調用類的構造方法的過程）

a. 在棧中分別創建Point構造方法的形參變量_x，_y，_z 並把實參傳過來的值放入相應的形參內存單元中。

b. 在堆中創建一Point類型對象框架。

c. 初始化對象，把_x，_y，_z 的值分別拷貝到相應的對象成員變量x，y，z 的內存單元中。（構造方法調用完成_x，_y，_z這三個變量的內存    單元被釋放。）

3. 引用變量P指向該對象。（當main方法執行完畢，p變量的內存單元被釋放，指向的對象就會變爲垃圾，由Java垃圾回收器回收。）

 創建P1對象同理.......

3. 方法調用

abstract class Person {
	private String name;
	
	Person(String name) {
		this.name = name;
	}
	abstract public void sleep();
	public String getName() {return name;}
}

class Student extends Person {
	private int sid;
	
	Student(String name,int sid) {
		super(name);
		this.sid = sid;
	}
	public void sleep() {
		System.out.println(this.getName() + " is sleeping");
	}
	public void study() {
		System.out.println(this.getName() + " is studying");
	}
	public void sing() {
		System.out.println(this.getName() + " is singing");
	}
	
}

public class Test {
	public static void main(String []are) {
		Person p = new Student("小美",123456);
		p.sleep();
		Student s =(Student)p;
		s.sing(); 
		s.study();
		
	}
}

程序執行內存解析圖 ：

解析：（同樣先從Main方法開始分析）

1. 在棧中創建一Person類型引用變量 P 。

2. 在堆中創建一Student類型的對象（創建對象的過程實質是調用類的構造方法的過程，在這裏Student類繼承了Person類，經過了2次調用構造方法）

a.在棧中分別創建Student類構造方法的形參變量name，sid並把實參傳過來的值放入相應的形參內存單元中。

  因爲形參name是一個字符串類型，給它賦的值是一字符串常量，和基本類型變量賦值有點不同，不能把“小美”這個字符串常量直接放到name內存單元中。而是把“小美”這個常量放到數據區（datasegment）中，讓name變量指向它，即name變量中存放的是”小美”這個字符串常量的地址，這時name就成了"小美"這個字符串常量的引用。

b.在堆中創建一Student類型對象框架。

  因爲Student類繼承了Person類，所以在Student類實例化的對象中包含了一個Person類的對象，如上圖所示。

c.初始化對象，首先把形參name指向的"小美"字符串常量的地址拷貝給Student對象的成員變量name（實質是拷貝給Person類對象的成員變量name，即指向"小美"字符串常量，然後把形參sid的值拷貝到Student類對象成員變量sid的內存單元中。（對象初始化完畢，形參name和sid的內存單元被釋放）

3. 引用變量P指向Student類對象（實質是指向Student類對象中的Person對象）。

因爲變量P是Person類型的引用，所以它能看到的只是Student類對象中的Person類對象部分，其他部分它是看不到的，無權限操作。所以，Student子類所特有的方法sing（）和study（），P變量是無權訪問的，必須把P對象向下轉型爲Student類型，纔可以訪問sing（）和study（）方法。

4. 調用sleep（）方法。

因爲sleep（）是Person類中的放法，所以P對象可以直接到代碼區（Codesegment）中調用sleep（）的方法體執行。（方法的方法體是被存儲在代碼區的，只有被調用是執行，如上圖）

5. 對象轉型。

a.先在棧中創建一引用變量S，用來存儲p對象轉型後的對象地址。

b.把P對象由Person類型向下轉爲Student類型，其實就是擴大p對象的訪問權限，使它指向整個Student類型的對象而非只Person類型。

c.讓引用變量S指向Student類型對象。

6. 通過S引用變量到堆中找到創建的Student類對象，通過Student類對象再到代碼區中找到sing（）方法及study（）方法順序執行。