Java 对象在 JVM 中的内存布局超详细解说

Java
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2023-02-05
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  • 一、new 对象的几种说法
  • 二、Java 对象在内存中的存在形式
  • 1. 栈帧（Frame）
  • 2. 对象在内存中的存在形式 ①
  • 3. 对象中的方法存储在那儿？
  • 4. Java 对象在内存中的存在形式 ②
  • 三、类中属性详细说明
  • 四、细小知识点
  • 1. 如何创建对象
  • 2. 如何访问属性
  • 五、Exercise
  • 六、总结

一、new 对象的几种说法

初学 Java 面向对象的时候，实例化对象的说法有很多种，我老是被这些说法给弄晕。
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 ProgramLanguage 对象, 对象名是 java
        ProgramLanguage java = new ProgramLanguage();
        // 实例化一个 ProgramLanguage 对象, 对象名是 c
        ProgramLanguage c = new ProgramLanguage();
        // 把 ProgramLanguage 类实例化, 实例化后的对象的对象名是 python
        ProgramLanguage python = new ProgramLanguage();
    }
}

class ProgramLanguage {
    private Integer id;
    private String name;
}

下面的三种说法的操作都是实例化对象，只是说法不一样而已

  • ① 创建一个 xxx 对象
  • ② 实例化一个 xxx 对象
  • ③ 把 xxx 类实例化

二、Java 对象在内存中的存在形式

这里先简单看一看 Java 对象在内存中的存在形式和几个内存相关的概念，后面还会详细介绍的。先看下面的几个知识点：

1. 栈帧（Frame）

  • ① 方法被调用则栈帧创建，方法执行结束则栈帧销毁
  • ② 栈帧中存储了方法的局部变量信息
  • ③ 栈帧是分配给方法的一段栈空间

  • main 方法作为程序的入口肯定是第一个被调用的方法，所以会先创建 main 方法的栈帧
  • 在 main 方法中调用了 test1 方法，并传入【55】作为参数给 test1 方法的局部变量 v，所以第二个创建的是 test1 方法的栈帧
  • test1 方法中的代码很快就执行完了，所以 test1 的栈帧很快会被销毁（方法执行结束后该方法的栈帧销毁）
  • 在 main 方法中调用了 test2 方法，并传入【88】作为参数给 test2 方法的局部变量 v，所以第三个创建的是 test2 方法的栈帧
  • 在 test2 方法中调用了 test3 方法，并传入【666】作为参数给 test3 方法的局部变量 v，所以第四个创建的是 test3 方法的栈帧
  • 当 test3 方法执行完毕后，test3 方法的栈帧被销毁
  • test3 方法的结束也正是 test2 方法的结束，所以 test2 方法的栈帧也被销毁
  • test2 方法的结束表示 main 方法的结束，所以 main 方法的栈帧会被销毁

2. 对象在内存中的存在形式 ①

  • Java 中的所有对象都是通过 new 关键字创建出来的（new 关键字：实例化一个对象；向堆空间申请一段内存，用于存放刚刚实例化的对象）
  • 所有的对象都存储在堆空间
  • 所有保存对象的变量都是引用类型
  • 局部变量是放在栈空间
  • Java 运行时环境中有个垃圾回收器（garbage collector），会自动回收没有被使用的（堆空间的）内存
  • 当一个对象没有被任何引用指向的时候，会被 GC 回收掉内存

分析下面的代码的内存布局：

public class DogDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Dog doggy = new Dog();
        doggy.age = 6;
        doggy.weight = 3.14;
    }
}

  • main 方法被调用，会在栈空间创建 main 方法的栈帧，main 方法的栈帧中会存放 main 方法中的局部变量信息（包括 args 和 main 方法中对象的引用 doggy）
  • 在 main 方法中，通过 new 关键字实例化了 Dog 对象，Dog 对象存储在堆空间
  • 堆空间中有一段内存用于存储类的对象的数据，这段内存中存放了 Dog 对象的属性信息（如 age、weight）
  • 栈空间中的 doggy 变量代表堆空间中的对象的地址（通过地址可以访问对象）

分析下面的代码的内存布局（稍微复杂）

public class Dog {
    public int price;
}
public class Person {
    public int age;
    public Dog dog;
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Dog doggy = new Dog();
        doggy.price = 255;

        Person yeTing = new Person();
        yeTing.age = 20;
        yeTing.dog = doggy;
    }
}

  • main 方法被调用，会在栈空间创建 main 方法的栈帧，main 方法的栈帧中会存放 main 方法中的局部变量信息（包括 args、main 方法中对象的引用 doggy、对象的引用 yeTing）
  • 在 main 方法中，通过 new 关键字实例化了 Dog 对象，Dog 对象存储在堆空间。堆空间中有一段内存用于存储 Dog 对象的属性信息（如 price = 255）
  • 在 main 方法中，通过 new 关键字实例化了 Person 对象，Person 对象存储在堆空间。堆空间中有一段内存用于存储 Person 对象的属性信息（如 age = 20），堆空间中，Person 对象的属性 dog 是 Dog 对象的引用，所以它指向的是堆空间中的 Dog 对象（dog 指向的是栈空间中的 doggy 引用的堆空间的 Dog 对象。doggy 和 yeTing 指向的 Person 对象中的 dog 属性指向的是同一个对象）
  • 引用变量不一定是在栈空间（也可能是在堆空间，如上图中 yeTing 指向的 Person 对象中 dog，这个 dog 就是引用变量。但是，它是在堆空间。）
  • 引用变量指向对象实际上保存的是对象在堆空间中的地址值（如：doggy 保存的是 Dog 对象在堆空间的地址值、yeTing 保存的是 Person 对象在堆空间的地址值）

3. 对象中的方法存储在那儿？

看下面的代码，思考对象中的方法存储在那儿？

public class Dog {
    public int price;

    public void run() {
        System.out.println(price + "_" + "run()");
    }

    public void eat() {
        System.out.println(price + "_" + "eat()");
    }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Dog dog1 = new Dog();
        dog1.price = 255;
        dog1.run();
        dog1.eat();

        Dog dog2 = new Dog();
        dog2.price = 552;
        dog2.run();
        dog2.eat();
    }
}

Java 虚拟机执行 Java 程序时会把内存划分为若干个不同的数据区域，主要包括：

  • ①  PC 寄存器（Program Counter Register）：存储 Java 虚拟机正在执行的字节码指令的地址
  • ② Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）：存储 Java 方法的栈帧（① 方法被调用的时候会在栈空间创建该方法的栈帧，该方法执行完毕后，该方法对应的栈帧会销毁；② 栈帧中会存放方法中的局部变量信息）【栈空间】
  • ③  堆空间（Heap）：存储被 GC（垃圾回收器） 所管理的各种对象（GC 管理的是通过 new 关键字创建的对象）
  • ④  方法区（Method Area）：存储每个类的结构信息（如：字段和方法信息、构造方法和普通方法的字节码信息）
  • ⑤ 本地方法栈（Native Method Stack）：用来支持 native 方法的调用（如：用 C 语言编写的方法）

4. Java 对象在内存中的存在形式 ②

String：

  • 是字符串，在 Java 编程中被频繁地使用，但它是引用类型
  • Java 中双引号包裹的内容默认就是字符串类型
  • Java 中被双引号包裹的内容叫做字符串常量
  • 字符串常量存储在字符串常量池中（String Constant Pool）
  • jdk1.7 之前，字符串常量池在方法区；后来被移动到了堆空间。所以，jdk1.8的字符串常量存储在堆空间的字符串常量池中
  • 后面学习 String 的时候还会细说

分析下面代码的内存布局：

public class Dog {
    String name;
    int age;
    String color;
}
public class DogDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Dog doggy = new Dog();
        doggy.name = "笑天";
        doggy.age = 6;
        doggy.color = "黑";
    }
}

三、类中属性详细说明

  •  现实世界中的对象有状态（State）和行为（Behavior），面向编程中的对象有属性（Field）和方法（Method）。
  •  类是创建单个对象的蓝图（模板）

下面详细说明一下类中【属性】这个概念。其实上篇文章已经能够很好理解，这里只是再补充一下而已。

  • 属性、成员变量、字段（field）指的是同一个东西（即一个类的状态）习惯上把现实世界的对象的状态（State）和编程中的属性联系在一起，便于理解
  • 属性可以是基本数据类型或引用类型（自定义类，接口，数组 …）
  • 定义属性的语法：访问修饰符 + 属性类型（eg: String、int、Dog、Bicycle） + 属性名
  • 访问修饰符（控制属性被访问的范围）有四种：public、protected、默认（不写）、private【后面会详细说】
/**
 * 访问修饰符有四种：public、protected、默认（不写）、private
 */
public class Dog {
    public String name;
    protected int age;
    String color;
    private double weight;
}

如果不给对象的属性赋值，属性会有初始值

/**
 * 测试若不给对象的属性赋初始值, 它们的默认初始值
 */
public class FiledInitialValueTest {
    private int score;
    private short age;
    private byte month;
    private long salary;
    private float height;
    private double pi;
    private char firstName;
    private boolean isTrueLove;
    private Person person;

    public static void main(String[] args) {
        FiledInitialValueTest test = new FiledInitialValueTest();
        System.out.println("\n若不给对象的属性赋值, 初始值如下所示：");
        System.out.println("score【int】 = " + test.score);
        System.out.println("age【short】 = " + test.age);
        System.out.println("month【byte】 = " + test.month);
        System.out.println("salary【long】 = " + test.salary);
        System.out.println("height【float】 = " + test.height);
        System.out.println("pi【double】 = " + test.pi);
        // 字符类型的属性的初始值是空串（在控制台无法看到）
        System.out.println("firstName【char】 = " + test.firstName);
        // 字符类型的属性的初始值强制类型转换为 int 后是【0】
        System.out.println("firstName【(int)char】 = " + (int) test.firstName);
        System.out.println("isTrueLove【boolean】 = " + test.isTrueLove);
        System.out.println("person【person】 = " + test.person);
    }
}

四、细小知识点

1. 如何创建对象

必须先有类（模板）才能创建对象

通过【new】关键字创建类的对象。【new】：向堆空间申请一块内存存储对象数据

public class TestCreateObject {
    public static void main(String[] args) {
        // (1) 先声明再创建
        Dog dog; // 声明 
        dog = new Dog(); // 通过 new 关键字创建对象

        // (2) 声明并创建对象 
        Dog doggy = new Dog();
    }
}

2. 如何访问属性

可通过【.】号访问属性或调用方法

可把 . 看做【的】、【の】

五、Exercise

看代码，画图:

public class Person {
    private int age;
    private String name;

    public static void main(String[] args) {
        Person yangJiaLi = new Person();
        yangJiaLi.age = 17;
        yangJiaLi.name = "杨嘉立";

        // 下面的一行代码有2种说法：
        // 1. 把 yangJiaLi 赋值给 yjl
        // 2. yjl 指向 yangJiaLi
        Person yjl = yangJiaLi;
        System.out.println(yjl.age); // 17
    }
}

六、总结

本篇文章的重点是第二节【Java 对象在内存中的存在形式】

需重点知道：

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