Java面试系列总结：JavaSE高级（上）

1. 说说你对Java中反射的理解

Java 中的反射首先是能够获取到 Java 中要反射类的字节码，获取字节码有三种方法，1.Class.forName(className) 2.类名.class 3.this.getClass()。然后将字节码中的方法，变量，构造函数等映射成相应的Method、Filed、Constructor等类，这些类提供了丰富的方法可以被我们所使用。

2. 写一个ArrayList的动态代理类（笔试题）

final List<String> list = new ArrayList<String>(); 
List<String> proxyInstance =  (List<String>)Proxy.newProxyInstance(list.getClass().getClassLoader(), list.getClass().getInterfaces(),  new InvocationHandler() { 
    @Override 
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable { 
        return method.invoke(list, args); 
    } 
}); 
proxyInstance.add("你好"); 
System.out.println(list);

3. 动静态代理的区别，什么场景使用？

静态代理通常只代理一个类，动态代理是代理一个接口下的多个实现类。

静态代理事先知道要代理的是什么，而动态代理不知道要代理什么东西，只有在运行时才知道。

动态代理是实现JDK里的 InvocationHandler接口的 invoke方法，但注意的是代理的是接口，也就是你的业务类必须要实现接口，通过Proxy里的newProxyInstance得到代理对象。

还有一种动态代理 CGLIB，代理的是类，不需要业务类继承接口，通过派生的子类来实现代理。通过在运行时，动态修改字节码达到修改类的目的。

AOP编程就是基于动态代理实现的，比如著名的Spring框架、Hibernate框架等等都是动态代理的使用例子。

4. 你所知道的设计模式有哪些

Java 中一般认为有 23 种设计模式，我们不需要所有的都会，但是其中常用的几种设计模式应该去掌握。下面列出了所有的设计模式。需要掌握的设计模式我单独列出来了，当然能掌握的越多越好。

总体来说设计模式分为三大类：

创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。
结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。
行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

5. 单例设计模式

饿汉式：

public class Singleton { 
    // 直接创建对象 
    public static Singleton instance = new Singleton(); 
    // 私有化构造函数 
    private Singleton() { 
    } 
    // 返回对象实例 
    public static Singleton getInstance() { 
        return instance; 
    } 
}

懒汉式：

public class Singleton { 
    // 声明变量 
    private static volatile Singleton singleton = null; 
    // 私有构造函数 
    private Singleton() { 
    } 
    // 提供对外方法 
    public static Singleton getInstance() { 
        if (singleton == null) { 
            synchronized (Singleton.class) { 
                if (singleton == null) { 
                    singleton = new Singleton(); 
                } 
            } 
        }
        return singleton; 
    } 
}

6. 工厂设计模式

工厂方法模式分为三种：

普通工厂模式，就是建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。
工厂方法模式，是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。
静态工厂方法模式，将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。

普通工厂模式

public interface Sender { 
    public void Send(); 
} 

public class MailSender implements Sender { 
    @Override 
    public void Send() { 
        System.out.println("this is mail sender!"); 
    } 
} 

public class SmsSender implements Sender { 
    @Override 
    public void Send() { 
        System.out.println("this is sms sender!"); 
    } 
} 

public class SendFactory { 
    public Sender produce(String type) { 
        if ("mail".equals(type)) { 
            return new MailSender(); 
        } else if ("sms".equals(type)) { 
            return new SmsSender(); 
        } else { 
            System.out.println("请输入正确的类型!"); 
            return null; 
        } 
    } 
}

工厂方法模式

该模式是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。

public class SendFactory { 
    public Sender produceMail(){   
        return new MailSender();   
    }   
    public Sender produceSms(){   
        return new SmsSender();   
    }   
}  

public class FactoryTest { 
    public static void main(String[] args) { 
        SendFactory factory = new SendFactory(); 
        Sender sender = factory.produceMail(); 
        sender.send(); 
    }
}

静态工厂方法模式

将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。

public class SendFactory { 
    public static Sender produceMail(){   
        return new MailSender();   
    }   
    public static Sender produceSms(){   
        return new SmsSender();   
    }   
}  

public class FactoryTest { 
    public static void main(String[] args) { 
        SendFactory factory = SendFactory.produceMail(); 
        sender.send(); 
    }
}

抽象工厂模式

工厂方法模式有一个问题就是，类的创建依赖工厂类，也就是说，如果想要拓展程序，必须对工厂类进行修改，这违背了闭包原则，所以，从设计角度考虑，有一定的问题，如何解决？就用到抽象工厂模式，创建多个工厂类，这样一旦需要增加新的功能，直接增加新的工厂类就可以了，不需要修改之前的代码。

public interface Provider { 
    public Sender produce(); 
}

public interface Sender { 
    public void send(); 
} 

public class MailSender implements Sender { 
    @Override 
    public void send() { 
        System.out.println("this is mail sender!"); 
    } 
}

public class SmsSender implements Sender { 
    @Override 
    public void send() { 
        System.out.println("this is sms sender!"); 
    } 
} 

public class SendSmsFactory implements Provider { 
    @Override 
    public Sender produce() { 
        return new SmsSender(); 
    } 
}

public class SendMailFactory implements Provider { 
    @Override 
    public Sender produce() { 
        return new MailSender(); 
    } 
} 

public class Test { 
    public static void main(String[] args) { 
        Provider provider = new SendMailFactory(); 
        Sender sender = provider.produce(); 
        sender.send(); 
    } 
}

7. 建造者模式

工厂类模式提供的是创建单个类的模式，而建造者模式则是将各种产品集中起来进行管理，用来创建复合对象，所谓复合对象就是指某个类具有不同的属性，其实建造者模式就是前面抽象工厂模式和最后的 Test 结合起来得到的。

public class Builder { 
    private List<Sender> list = new ArrayList<Sender>(); 
    public void produceMailSender(int count) { 
        for (int i = 0; i < count; i++) { 
            list.add(new MailSender()); 
        }
    } 
    public void produceSmsSender(int count) { 
        for (int i = 0; i < count; i++) { 
            list.add(new SmsSender()); 
        } 
    }
}

public class TestBuilder { 
    public static void main(String[] args) { 
        Builder builder = new Builder(); 
        builder.produceMailSender(10); 
    } 
}

8. 适配器设计模式

适配器模式将某个类的接口转换成客户端期望的另一个接口表示，目的是消除由于接口不匹配所造成的类的兼容性问题。主要分为三类：类的适配器模式、对象的适配器模式、接口的适配器模式。

类的适配器模式

public class Source { 
    public void method1() { 
        System.out.println("this is original method!"); 
    } 
}

public interface Targetable { 
    /* 与原类中的方法相同 */ 
    public void method1(); 
    /* 新类的方法 */ 
    public void method2(); 
} 

public class Adapter extends Source implements Targetable { 
    @Override 
    public void method2() { 
        System.out.println("this is the targetable method!");         
    }
} 

public class AdapterTest { 
    public static void main(String[] args) { 
        Targetable target = new Adapter(); 
        target.method1(); 
        target.method2(); 
    } 
}

对象的适配器模式

基本思路和类的适配器模式相同，只是将 Adapter 类作修改，这次不继承 Source 类，而是持有 Source 类的实例，以达到解决兼容性的问题。

public class Wrapper implements Targetable { 
    private Source source; 
    public Wrapper(Source source) { 
        super(); 
        this.source = source; 
    } 
    @Override 
    public void method2() { 
        System.out.println("this is the targetable method!"); 
    } 
    @Override 
    public void method1() { 
        source.method1(); 
    }
} 

public class AdapterTest {  
    public static void main(String[] args) {   
        Source source = new Source();   
        Targetable target = new Wrapper(source);   
        target.method1();   
        target.method2();   
    }   
}

接口的适配器模式

接口的适配器是这样的：有时我们写的一个接口中有多个抽象方法，当我们写该接口的实现类时，必须实现该接口的所有方法，这明显有时比较浪费，因为并不是所有的方法都是我们需要的，有时只需要某一些，此处为了解决这个问题，我们引入了接口的适配器模式，借助于一个抽象类，该抽象类实现了该接口，实现了所有的方法，而我们不和原始的接口打交道，只和该抽象类取得联系，所以我们写一个类，继承该抽象类，重写我们需要的方法就行。

9. 装饰模式（Decorator）

顾名思义，装饰模式就是给一个对象增加一些新的功能，而且是动态的，要求装饰对象和被装饰对象实现同一个接口，装饰对象持有被装饰对象的实例。

public interface Sourceable { 
    public void method(); 
} 

public class Source implements Sourceable { 
    @Override 
    public void method() { 
        System.out.println("the original method!"); 
    } 
} 

public class Decorator implements Sourceable { 
    private Sourceable source; 
    public Decorator(Sourceable source) { 
        super(); 
        this.source = source; 
    } 
    @Override 
    public void method() {
        System.out.println("before decorator!"); 
        source.method(); 
        System.out.println("after decorator!"); 
    } 
}

public class DecoratorTest { 
    public static void main(String[] args) { 
        Sourceable source = new Source(); 
        Sourceable obj = new Decorator(source); 
        obj.method(); 
    } 
}

10. 策略模式（strategy）

策略模式定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使他们可以相互替换，且算法的变化不会影响到使用算法的客户。需要设计一个接口，为一系列实现类提供统一的方法，多个实现类实现该接口，设计一个抽象类（可有可无，属于辅助类），提供辅助函数。策略模式的决定权在用户，系统本身提供不同算法的实现，新增或者删除算法，对各种算法做封装。因此，策略模式多用在算法决策系统中，外部用户只需要决定用哪个算法即可。

public interface ICalculator {
    public int calculate(String exp); 
} 

public class Minus extends AbstractCalculator implements ICalculator { 
    @Override 
    public int calculate(String exp) { 
        int arrayInt[] = split(exp, "-"); 
        return arrayInt[0] - arrayInt[1]; 
    } 
} 

public class Plus extends AbstractCalculator implements ICalculator { 
    @Override 
    public int calculate(String exp) { 
        int arrayInt[] = split(exp, "\\+"); 
        return arrayInt[0] + arrayInt[1]; 
    } 
} 

public class AbstractCalculator { 
    public int[] split(String exp, String opt) { 
        String array[] = exp.split(opt); 
        int arrayInt[] = new int[2]; 
        arrayInt[0] = Integer.parseInt(array[0]); 
        arrayInt[1] = Integer.parseInt(array[1]); 
        return arrayInt; 
    } 
}

public class StrategyTest { 
    public static void main(String[] args) { 
        String exp = "2+8"; 
        ICalculator cal = new Plus(); 
        result = cal.calculate(exp); 
        System.out.println(result); 
    } 
}

11. 观察者模式（Observer）

观察者模式很好理解，类似于邮件订阅和 RSS 订阅，当我们浏览一些博客或 wiki 时，经常会看到 RSS 图标，就这的意思是，当你订阅了该文章，如果后续有更新，会及时通知你。其实，简单来讲就一句话：当一个对象变化时，其它依赖该对象的对象都会收到通知，并且随着变化！对象之间是一种一对多的关系。

public interface Observer { 
    public void update(); 
} 

public class Observer1 implements Observer { 
    @Override 
    public void update() { 
        System.out.println("observer1 has received!");   
    } 
} 

public class Observer2 implements Observer { 
    @Override 
    public void update() { 
        System.out.println("observer2 has received!");  
    } 
} 

public interface Subject { 
    /*增加观察者*/  
    public void add(Observer observer);   
    /*删除观察者*/   
    public void del(Observer observer);   
    /*通知所有的观察者*/  
    public void notifyObservers();  
    /*自身的操作*/  
    public void operation();
} 

public abstract class AbstractSubject implements Subject { 

    private Vector<Observer> vector = new Vector<Observer>(); 

    @Override 
    public void add(Observer observer) { 
        vector.add(observer); 
    } 

    @Override 
    public void del(Observer observer) { 
        vector.remove(observer); 
    } 

    @Override 
    public void notifyObservers() { 
        Enumeration<Observer> enumo = vector.elements(); 
        while (enumo.hasMoreElements()) {                 
            enumo.nextElement().update(); 
        } 
    } 
} 

public class MySubject extends AbstractSubject { 
    @Override 
    public void operation() { 
        System.out.println("update self!");   
        notifyObservers();  
    } 
} 

public class ObserverTest { 
    public static void main(String[] args) { 
        Subject sub = new MySubject(); 
        sub.add(new Observer1()); 
        sub.add(new Observer2()); 
        sub.operation();
    } 
}

12. JVM垃圾回收机制和常见算法

理论上来讲Sun公司只定义了垃圾回收机制规则而不局限于其实现算法，因此不同厂商生产的虚拟机采用的算法也不尽相同。

GC（Garbage Collector）在回收对象前首先必须发现那些无用的对象，如何去发现定位这些无用的对象？常用的搜索算法如下：

1）引用计数器算法（废弃）

引用计数器算法是给每个对象设置一个计数器，当有地方引用这个对象的时候，计数器+1，当引用失效的时候，计数器-1，当计数器为0的时候，JVM就认为对象不再被使用，是“垃圾”了。

引用计数器实现简单，效率高；但是不能解决循环引用问问题（A 对象引用B 对象，B 对象又引用 A对象，但是A,B 对象已不被任何其他对象引用），同时每次计数器的增加和减少都带来了很多额外的开销，所以在 JDK1.1 之后，这个算法已经不再使用了。

2）根搜索算法（使用）

根搜索算法是通过一些“GC Roots”对象作为起点，从这些节点开始往下搜索，搜索通过的路径成为引用链（Reference Chain），当一个对象没有被GC Roots的引用链连接的时候，说明这个对象是不可用的。
在这里插入图片描述
GC Roots对象包括：
a) 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中的引用的对象。
b) 方法区域中的类静态属性引用的对象。
c) 方法区域中常量引用的对象。
d) 本地方法栈中JNI（Native方法）的引用的对象。

通过上面的算法搜索到无用对象之后，就是回收过程，回收算法如下：

1）标记—清除算法（Mark-Sweep）（DVM使用的算法）

标记—清除算法包括两个阶段：“标记”和“清除”。在标记阶段，确定所有要回收的对象，并做标记。清除阶段紧随标记阶段，将标记阶段确定不可用的对象清除。标记—清除算法是基础的收集算法，标记和清除阶段的效率不高，而且清除后回产生大量的不连续空间，这样当程序需要分配大内存对象时，可能无法找到足够的连续空间。
在这里插入图片描述

2）复制算法（Copying）

复制算法是把内存分成大小相等的两块，每次使用其中一块，当垃圾回收的时候，把存活的对象复制到另一块上，然后把这块内存整个清理掉。复制算法实现简单，运行效率高，但是由于每次只能使用其中的一半，造成内存的利用率不高。现在的JVM用复制方法收集新生代，由于新生代中大部分对象（98%）都是朝生夕死的，所以两块内存的比例不是1:1(大概是8:1)。
在这里插入图片描述

3）标记—整理算法（Mark-Compact）

标记—整理算法和标记—清除算法一样，但是标记—整理算法不是把存活对象复制到另一块内存，而是把存活对象往内存的一端移动，然后直接回收边界以外的内存。标记—整理算法提高了内存的利用率，并且它适合在收集对象存活时间较长的老年代。
在这里插入图片描述

4）分代收集（Generational Collection

分代收集是根据对象的存活时间把内存分为新生代和老年代，根据各个代对象的存活特点，每个代采用不同的垃圾回收算法。新生代采用复制算法，老年代采用标记—整理算法。垃圾算法的实现涉及大量的程序细节，而且不同的虚拟机平台实现的方法也各不相同。

13. 谈谈JVM的内存结构和内存分配

a) Java内存模型

Java虚拟机将其管辖的内存大致分三个逻辑部分：方法区(Method Area)、Java栈和Java堆。

方法区是静态分配的，编译器将变量绑定在某个存储位置上，而且这些绑定不会在运行时改变。
常数池，源代码中的命名常量、String常量和static变量保存在方法区。常数池，源代码中的命名常量、String常量和static变量保存在方法区。
Java Stack是一个逻辑概念，特点是后进先出。一个栈的空间可能是连续的，也可能是不连续的。
最典型的 Stack 应用是方法的调用，Java 虚拟机每调用一次方法就创建一个方法帧（frame），退出该方法则对应的方法帧被弹出(pop)。栈中存储的数据也是运行时确定的。
Java堆分配(heap allocation)意味着以随意的顺序，在运行时进行存储空间分配和收回的内存管理模型。
堆中存储的数据常常是大小、数量和生命期在编译时无法确定的。Java 对象的内存总是在 heap 中分配。

我们每天都在写代码，每天都在使用JVM的内存。

b) java内存分配

基础数据类型直接在栈空间分配;
方法的形式参数，直接在栈空间分配，当方法调用完成后从栈空间回收;
引用数据类型，需要用new来创建，既在栈空间分配一个地址空间，又在堆空间分配对象的类变量;
方法的引用参数，在栈空间分配一个地址空间，并指向堆空间的对象区，当方法调用完后从栈空间回收;
局部变量 new 出来时，在栈空间和堆空间中分配空间，当局部变量生命周期结束后，栈空间立刻被回收，堆空间区域等待GC 回收;
方法调用时传入的实际参数，先在栈空间分配，在方法调用完成后从栈空间释放;
字符串常量在 DATA 区域分配，this 在堆空间分配;
数组既在栈空间分配数组名称，又在堆空间分配数组实际的大小！

14. Java中引用类型都有哪些？（重要）

Java中对象的引用分为四种级别，这四种级别由高到低依次为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。

强引用（StrongReference）

这个就不多说，我们写代码天天在用的就是强引用。如果一个对象被被人拥有强引用，那么垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。

Java的对象是位于heap中的，heap中对象有强可及对象、软可及对象、弱可及对象、虚可及对象和不可到达对象。应用的强弱顺序是强、软、弱、和虚。对于对象是属于哪种可及的对象，由他的最强的引用决定。如下代
码：

String abc=new String("abc");  //1        
SoftReference<String> softRef=new SoftReference<String>(abc);  //2        
WeakReference<String> weakRef = new WeakReference<String>(abc); //3        
abc=null; //4       
softRef.clear();//5

第一行在heap堆中创建内容为“abc”的对象，并建立abc到该对象的强引用，该对象是强可及的。

第二行和第三行分别建立对 heap 中对象的软引用和弱引用，此时 heap 中的 abc 对象已经有 3 个引用，显然此时abc对象仍是强可及的。

第四行之后heap中对象不再是强可及的，变成软可及的。

第五行执行之后变成弱可及的。

软引用（SoftReference）

如果一个对象只具有软引用，那么如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

软引用是主要用于内存敏感的高速缓存。在 jvm 报告内存不足之前会清除所有的软引用，这样以来 gc 就有可能收集软可及的对象，可能解决内存吃紧问题，避免内存溢出。什么时候会被收集取决于gc的算法和gc运行时可用内存的大小。当gc决定要收集软引用时执行以下过程,以上面的softRef为例：

首先将softRef的referent（abc）设置为null，不再引用heap中的new String(“abc”)对象。
将heap中的new String(“abc”)对象设置为可结束的(finalizable)。
当heap中的new String(“abc”)对象的finalize()方法被运行而且该对象占用的内存被释放， softRef被添加到它的ReferenceQueue(如果有的话)中。

注意	对ReferenceQueue软引用和弱引用可以有可无，但是虚引用必须有。

被 Soft Reference 指到的对象，即使没有任何 Direct Reference，也不会被清除。一直要到 JVM 内存不足且没有 Direct Reference 时才会清除，SoftReference 是用来设计 object-cache 之用的。如此一来 SoftReference 不但可以把对象 cache 起来，也不会造成内存不足的错误（OutOfMemoryError）。

弱引用（WeakReference）

如果一个对象只具有弱引用，那该类就是可有可无的对象，因为只要该对象被 gc 扫描到了随时都会把它干掉。弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

虚引用（PhantomReference）

"虚引用"顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。

虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

建立虚引用之后通过 get 方法返回结果始终为 null,通过源代码你会发现,虚引用通向会把引用的对象写进referent,只是get方法返回结果为null。先看一下和gc交互的过程再说一下他的作用。

不把referent设置为null, 直接把heap中的new String(“abc”)对象设置为可结束的(finalizable)。
与软引用和弱引用不同, 先把 PhantomRefrence 对象添加到它的 ReferenceQueue 中.然后在释放虚可及的对象。

15. heap和stack有什么区别

从以下几个方面阐述堆（heap）和栈（stack）的区别。

1. 申请方式

stack:由系统自动分配。例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间。

heap:需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数，对于Java需要手动new Object()的形式开辟。

2. 申请后系统的响应

stack：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。

heap：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空
闲链表中。

3. 申请大小的限制

stack：栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。

heap：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

4. 申请效率的比较：

stack：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。

heap：由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。

5. heap和stack中的存储内容

stack：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的 C 编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。

当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下
一条指令，程序由该点继续运行。

heap：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

6. 数据结构层面的区别

还有就是数据结构方面的堆和栈，这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构，第1个元素有最高的优先权；栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。

虽然堆栈，堆栈的说法是连起来叫，但是他们还是有很大区别的，连着叫只是由于历史的原因。

7. 拓展知识（Java中堆栈的应用）

1). 栈(stack)与堆(heap)都是 Java 用来在 Ram 中存放数据的地方。与 C++不同，Java 自动管理栈和堆，程序员不能直接地设置栈或堆。

2). 栈的优势是，存取速度比堆要快，仅次于直接位于 CPU 中的寄存器。但缺点是，存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。另外，栈数据可以共享，详见第 3 点。堆的优势是可以动态地分配内存大小，生存期也不必事先告诉编译器，Java 的垃圾回收器会自动收走这些不再使用的数据。但缺点是，由于要在运行时动态分配内存，存取速度较慢。

3). Java中的数据类型有两种。
一种是基本类型(primitive types), 共有8种，即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意，并没有string的基本类型)。这种类型的定义是通过诸如int a = 3; long b = 255L;的形式来定义的，称为自动变量（自动变量：只在定义它们的时候才创建，在定义它们的函数返回时系统回收变量所占存储空间。对这些变量存储空间的分配和回收是由系统自动完成的。）。值得注意的是，自动变量存的是字面值，不是类的实例，即不是类的引用，这里并没有类的存在。如int a = 3; 这里的a是一个指向int类型的引用，指向3这个字面值。这些字面值的数据，由于大小可知，生存期可知(这些字面值固定定义在某个程序块里面，程序块退出后，字段值就消失了)，出于追求速度的原因，就存在于栈中。

另外，栈有一个很重要的特殊性，就是存在栈中的数据可以共享。假设我们同时定义

int a = 3;  
int b = 3；

编译器先处理int a = 3；首先它会在栈中创建一个变量为a的引用，然后查找有没有字面值为3的地址，没找到，就开辟一个存放3这个字面值的地址，然后将 a 指向 3的地址。接着处理int b = 3；在创建完b的引用变量后，由于在栈中已经有3这个字面值，便将b直接指向3的地址。这样，就出现了a与b同时均指向3的情况。

特别注意的是，这种字面值的引用与类对象的引用不同。假定两个类对象的引用同时指向一个对象，如果一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态，那么另一个对象引用变量也即刻反映出这个变化。相反，通过字面值的引用来修改其值，不会导致另一个指向此字面值的引用的值也跟着改变的情况。如上例，我们定义完 a 与 b 的值后，再令 a=4；那么，b 不会等于 4，还是等于 3。在编译器内部，遇到 a=4；时，它就会重新搜索栈中是否有 4 的字面值，如果没有，重新开辟地址存放 4 的值；如果已经有了，则直接将 a 指向这个地址。因此 a 值的改变不会影响到b的值。

另一种是包装类数据，如Integer, String, Double等将相应的基本数据类型包装起来的类。这些类数据全部存在于堆中，Java 用 new()语句来显示地告诉编译器，在运行时才根据需要动态创建，因此比较灵活，但缺点是要占用更多的时间。

4).每个 JVM的线程都有自己的私有的栈空间，随线程创建而创建，java的stack存放的是frames，java的stack和c的不同，只是存放本地变量，返回值和调用方法，不允许直接push和pop frames ，因为frames 可能是有heap分配的，所以java的stack分配的内存不需要是连续的。java的heap是所有线程共享的，堆存放所有 runtime data ，里面是所有的对象实例和数组，heap是JVM启动时创建。

5). String 是一个特殊的包装类数据。即可以用 String str = new String(“abc”);的形式来创建，也可以用String str = “abc”；的形式来创建(作为对比，在JDK 5.0之前，你从未见过Integer i = 3;的表达式，因为类与字面值是不能通用的，除了 String。而在 JDK 5.0 中，这种表达式是可以的！因为编译器在后台进行 Integer i = new Integer(3)的转换)。前者是规范的类的创建过程，即在Java中，一切都是对象，而对象是类的实例，全部通过new()的形式来创建。那为什么在String str = “abc”；中，并没有通过new()来创建实例，是不是违反了上述原则？其实没有。

关于String str = "abc"的内部工作。Java内部将此语句转化为以下几个步骤：
(1)先定义一个名为str的对 String类的对象引用变量：String str；

(2)在栈中查找有没有存放值为"abc"的地址，如果没有，则开辟一个存放字面值为"abc"的地址，接着创建一个新的String类的对象o，并将o 的字符串值指向这个地址，而且在栈中这个地址旁边记下这个引用的对象o。如果已经有了值为"abc"的地址，则查找对象o，并返回o的地址。

(3)将str指向对象o的地址。
值得注意的是，一般String类中字符串值都是直接存值的。但像String str = “abc”；这种场合下，其字符串值却是保存了一个指向存在栈中数据的引用！

为了更好地说明这个问题，我们可以通过以下的几个代码进行验证。

String str1 = "abc";  
String str2 = "abc";  
System.out.println(str1==str2);   //true

注意	我们这里并不用str1.equals(str2)；的方式，因为这将比较两个字符串的值是否相等。==号，根据JDK的说明，只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。而我们在这里要看是，str1与str2是否都指向了同一个对象。

结果说明，JVM创建了两个引用str1和str2，但只创建了一个对象，而且两个引用都指向了这个对象。

我们再来更进一步，将以上代码改成：

String str1 = "abc";  
String str2 = "abc"; 
str1 = "bcd";  
System.out.println(str1 + "," + str2);   //bcd, abc  
System.out.println(str1==str2);   //false

这就是说，赋值的变化导致了类对象引用的变化，str1指向了另外一个新对象！而str2仍旧指向原来的对象。上例中，当我们将str1 的值改为"bcd"时，JVM发现在栈中没有存放该值的地址，便开辟了这个地址，并创建了一个新的对象，其字符串的值指向这个地址。

事实上，String类被设计成为不可改变(immutable)的类。如果你要改变其值，可以，但JVM在运行时根据新值悄悄创建了一个新对象，然后将这个对象的地址返回给原来类的引用。这个创建过程虽说是完全自动进行的，但它毕竟占用了更多的时间。在对时间要求比较敏感的环境中，会带有一定的不良影响。

再修改原来代码：

String str1 = "abc";  
String str2 = "abc";  
str1 = "bcd";  
String str3 = str1;  
System.out.println(str3);   //bcd 
String str4 = "bcd";  
System.out.println(str1 == str4);   //true

str3 这个对象的引用直接指向str1所指向的对象(注意，str3并没有创建新对象)。当 str1改完其值后，再创建一个 String 的引用 str4，并指向因 str1 修改值而创建的新的对象。可以发现，这回 str4 也没有创建新的对象，从而再次实现栈中数据的共享。

我们再接着看以下的代码。

String str1 = new String("abc");  
String str2 = "abc";  
System.out.println(str1==str2);   //false

创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。

以上两段代码说明，只要是用new()来新建对象的，都会在堆中创建，而且其字符串是单独存值的，即使与栈中的数据相同，也不会与栈中的数据共享。

6). 数据类型包装类的值不可修改。不仅仅是 String 类的值不可修改，所有的数据类型包装类都不能更改其内部的值。

7). 结论与建议：
(1)我们在使用诸如String str = “abc”；的格式定义类时，总是想当然地认为，我们创建了String类的对象str。担心陷阱！对象可能并没有被创建！唯一可以肯定的是，指向 String类的引用被创建了。至于这个引用到底是否指向了一个新的对象，必须根据上下文来考虑，除非你通过new()方法来显要地创建一个新的对象。因此，更为准确的说法是，我们创建了一个指向 String类的对象的引用变量str，这个对象引用变量指向了某个值为"abc"的 String 类。清醒地认识到这一点对排除程序中难以发现的bug是很有帮助的。

(2)使用String str = “abc”；的方式，可以在一定程度上提高程序的运行速度，因为JVM会自动根据栈中数据的实际情况来决定是否有必要创建新对象。而对于String str = new String(“abc”)；的代码，则一概在堆中创建新对象，而不管其字符串值是否相等，是否有必要创建新对象，从而加重了程序的负担。这个思想应该是享元模式的思想，但JDK的内部在这里实现是否应用了这个模式，不得而知。

(3)当比较包装类里面的数值是否相等时，用equals()方法；当测试两个包装类的引用是否指向同一个对象时，用==。

(4)由于String类的immutable性质，当String变量需要经常变换其值时，应该考虑使用StringBuffer类，以提高程序效率。

如果java不能成功分配heap的空间，将抛出OutOfMemoryError。

16. 解释内存中的栈 (stack) 、堆 (heap) 和方法区 (method area) 的用法

通常我们定义一个基本数据类型的变量，一个对象的引用，还有就是函数调用的现场保存都使用 JVM 中的栈空间；而通过new关键字和构造器创建的对象则放在堆空间，堆是垃圾收集器管理的主要区域，由于现在的垃圾收集器都采用分代收集算法，所以堆空间还可以细分为新生代和老生代，再具体一点可以分为 Eden、Survivor（又可分为 From Survivor 和 To Survivor）、Tenured；方法区和堆都是各个线程共享的内存区域，用于存储已经被JVM加载的类信息、常量、静态变量、JIT 编译器编译后的代码等数据；程序中的字面量（literal）如直接书写的 100、"hello"和常量都是放在常量池中，常量池是方法区的一部分。栈空间操作起来最快但是栈很小，通常大量的对象都是放在堆空间，栈和堆的大小都可以通过 JVM 的启动参数来进行调整，栈空间用光了会引发 StackOverflowError，而堆和常量池空间不足则会引发 OutOfMemoryError。

String str = new String("hello");

上面的语句中变量 str 放在栈上，用 new 创建出来的字符串对象放在堆上，而"hello"这个字面量是放在方法区的。

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