[java]我的数据在哪里？——数据的内存模型

在编写程序时，我们也许会有这样一个问题，我们编写的程序中的数据运行时，会保存在哪里呢？简单直接的回答可能是——内存。这个回答在多数情况下可能都是对的，但事实上并不准确，我们都知道内存，即随机访问存储器可以在程序运行时保存程序所需要的数据，但不是所有数据，而且，内存这个词也并不准确。接下来，让我们看一下在程序运行时，数据可能会被存放的几大位置。

数据的六大存放位置

java为我们提供了不同于以往语言的新特性，其中一个非常方便的特性就是我们在创建新的类型（对象）时不需要手动分配内存，更不需要手动去销毁不再需要的对象，java让我们远离了对内存的繁琐操作。但是，在我们编写java程序时，依然需要做到对程序运行时数据的存放位置做到心中有数，这其中包括了寄存器、内存以及持久化存储。实际上，程序会使用到的数据，可能分配在以下六个位置：

(1) 寄存器。这是最快的保存区域，因为它是位于处理器内部，它的地理优势决定了存取都非常迅速。但是，寄存器的大小十分有限，所以它是根据编译器来分配的，我们没有直接分配的权利。也就是说，在java中，我们无法直接决定将哪些数据存放在寄存器中，也无法从程序中分析哪些数据可能会被存放在寄存器中。

　　　　　图1 CPU

(2) 堆栈。这是存取速度次快的位置，它驻留于常规RAM（随机访问存储器）区域，也就是我们常说的内存。我们都知道，栈是一种常用的数据结构，而在内存的堆栈区域，它的数据保存方式就是按照栈的方式进行存取，我们可以通过它的“堆栈指针”获得处理的直接支持。堆栈指针若向下移，会创建新的内存；若向上移，则会释放那些内存。创建程序时，Java 编译器必须准确地知道堆栈内保存的所有数据的“长度”以及“存在时间”。这是由于它必须生成相应的代码，以便向上和向下移动指针。这一限制无疑影响了程序的灵活性，想象一下，在我们创建对象时，很多字段都是动态创建的，所以尽管有些Java数据要保存在堆栈里——特别是对象引用，但实际的对象并不放到其中。

　　　　图2 栈

(3) 堆。一种常规用途的内存池（也在RAM 区域），java对象都会保存在该位置。我们都知道，“堆”同时也是一个基本的数据结构，它是一种特殊的完全二叉树，分为大顶堆和小顶堆，堆在满足一定的存取效率的基础上，提高了查找效率。和堆栈不同，堆是牺牲了存储效率获取了灵活性，“内存堆”或“堆”（Heap）最吸引人的地方在于编译器不必知道要从堆里分配多少存储空间，也不必知道存储的数据要在堆里停留多长的时间，这也是java对象之所以放置在堆中的原因。进一步讲，正是因为我们有了堆这个结构，java才能够做到方便的创建对象以及创建对象时动态的创建对象的字段。要求创建一个对象时，只需用new命令编制相关的代码即可。执行这些代码时，会在堆里自动进行数据的保存。当然，为达到这种灵活性，必然会付出一定的代价：在堆里分配存储空间时会花掉更长的时间！所以在程序的编写中，我们要尽量避免频繁的创建对象，这会大大降低程序运行的时间。

　　　　　　　　图3 大顶堆

(4) 静态存储。这儿的“静态”（Static）是指“位于固定位置”（尽管也在RAM 里）。程序运行期间，静态存储的数据将随时等候调用。我们知道，static可以用来修饰一个字段或者方法是属于一个类的，这个时候static修饰的字段就是静态的，因为它在整个的程序运行过程中都是大小已知的。程序中的常量也存放在这里。

(5) 常数存储。常数值通常直接置于程序代码内部。这样做是安全的，因为它们永远都不会改变。有的常数需要严格地保护，所以可考虑将它们置入只读存储器（ROM）。

(6) 非RAM 存储。若数据完全独立于一个程序之外，则程序不运行时仍可存在，并在程序的控制范围之外。其中两个最主要的例子便是“流式对象”和“固定对象”。对于流式对象，对象会变成字节流，通常会发给另一台机器，比如说网络通信的数据。而对于固定对象，对象保存在磁盘中，比如说图片、数据库中的数据。即使程序中止运行，它们仍可保持自己的状态不变。对于这些类型的数据存储，一个特别有用的技巧就是它们能存在于其他媒体中，比如说采用数据库管理响应的数据。一旦需要，能将它们恢复成普通的、基于RAM 的对象。

常见的数据存放位置示例

接下来，我们来看一下在编写程序中我们经常用到的数据，掌握他们的存放位置，会让我们在编写程序时更加得心应手，更好的把握程序耗费的时间。

在上面的六大存储地点中，寄存器是我们无法直接去控制的，非RAM存储一般会交由其他第三方去控制，因此在这里，我们主要探究剩下的几种方式。

首先我们来看下面的代码：

 public class Person {

     public static final double PI = 3.14;

     private String name = "dotgua";

     public static void main(String[] args) {

         int i = 5;

         double d = 0.2;

         Person p = new Person();

         String str = new String("hello");

         String str2 = "world";

     }

 }

上面这段代码比较短，但是涵盖了我们通常使用的大部分情景。

首先，i是main方法中的局部变量，所以i的值会保存在main的方法栈中（如图所示），除了整型，其他的局部变量，同时是基本类型（boolean/char/double/float等）的都会保存在堆栈中。
然后，p本身是引用类型，引用类型本身也会保存在堆栈中，而p中存放的是它指向的对象的地址（‘#####’部分）。
p指向的Person对象会保存在堆中，任何通过new产生的对象都会放置在堆中，对象的成员属性和对象一起存放。请注意，Person类中的PI不会随对象一起存放，因为它本身由static修饰，所以是类成员，会被放置在静态存储中，这里如果有多个Person对象，那么这些对象都会指向同一个PI。
最后，比较有意思的是String类型，如果String是通过new产生的，那么它会和普通的对象一样存放在堆中。而如果是通过字符串字面量声明的，那么，字面量会存放在静态存储中（字面量本身是不会改变的），通过str2引用指向它。字符串放在静态存储中可以方便复用，因为字符串本身是不会改变的，所以如果有多个字符串声明的值相同，其实他们指向的是同一个字符串。这里对于字符串有个小技巧，对于通过new创建的字符串，我们可以使用String类的intern()方法将它重新放置在静态存储中。

总结

在java中，程序运行时，可能存放的位置大致有以下六个，分别是：

寄存器：位于CPU，速度最快，无法控制；
堆栈：内存RAM的一部分，用于存放局部变量；
堆：RAM中的一部分，通过new创建的对象都放在堆中，效率较低；
静态存储：类成员以及常量存放在这里，一般变化较小；
常数存储：常数值会直接存放在程序代码中；
非RAM存储：其他存储方式，不放置在内存中；

字符串通过new方式创建时会存放在堆中，通过字面量创建会存放在静态存储部分，可以通过String类的intern方法将new创建的字符串重新放置在静态存储中。