Java | 如何从内存解析的角度理解“数组名实质是一个地址”?

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简介: 这篇文章讨论了Java内存的简化结构以及如何解析一维和二维数组的内存分配。在Java中,内存分为栈和堆,栈存储局部变量,堆存储通过`new`关键字创建的对象和数组。方法区包含静态域和常量池。文章通过示例代码解释了一维数组的创建过程,分为声明数组、分配空间和赋值三个步骤,并提供了内存解析图。接着,介绍了二维数组的内存解析,强调二维数组是“数组的数组”,其内存结构中,外层元素存储内层数组的地址。最后,文章提到了默认初始化方式对初始值的影响,并给出了相关测试代码。

一、内存的简化结构

 

下图即为内存的简化结构。在Java语言中,内存的存储分配是这样的:


栈:局部变量

堆:new出来的东西,如对象、数组等


方法区:包括静态域(static)和常量池(String的内容就存储在这里)



内存的简化结构


这张内存简化图非常重要,需要大家留有印象。


接下来我们在该图和结论的基础上,分步来看一维数组与二维数组的内存解析。


二、一维数组的内存解析


1. 分步解析


示例代码


public class Test{
    public static void main(String args[]){
        int[] arr;   
        arr = new int[10];
 
        for ( int i=0; i<10; i++ ) {  
            arr[i] =2*i+1;
            System.out.println(arr[i]);
        }
    }
}


step1  int[] arr;


此时在栈中创建出了变量arr



step2  arr = new int[10];


接着使用new关键字,来创建一个一维数组。需要注意的是,基本数据类型数组在显式赋值之前, Java会自动给它们赋默认值。由于一维数组的每个元素都是int类型,因而默认值为0.



step3  arr[i] =2*i+1;  


在for循环中遍历数组arr并为其元素赋值:



综合起来看,内存状态如下:

 

2. 综合解析


如图,创建数组并赋值的过程可以简化成如下示意图。



左侧为栈区,右侧为堆区


当声明数组int[ ] arr 时,arr属于局部变量,在栈中创建。如上图中,int[ ] arr1和String[ ] arr2的操作执行后,在左侧的栈中创建了变量arr1与arr2. 若没有new的操作,实际上还未给数组开辟存储空间。


只有当通过new关键字创建数组对象后,系统才在堆中划分相应的存储空间,并依据数组元素的数据类型给新划分的空间自动赋初值。如上图中,在new int[4]后,堆区开辟了4个连续的存储空间,并赋值为0,而new String[3]后,堆区又开辟了3个存储空间用来存储String类型的数据,引用类型String默认初值为null.


同时,数组的地址(即数组首元素的地址,假设为0x12ab)赋值给栈区中的变量arr1,即变量arr1中存着数组的地址,通过该地址,arr1可以轻松地在堆中找到它对应的数组。


我们通过中括号 [ ] 来访问数组中的各个元素。我们执行arr1[0] = 10;这一代码时,实际便是根据栈内arr1中存着的地址,找到将堆区中的数组空间,并将第一个空间中的0改为了10.


而对于arr2[ ]数组,在new过之后又new了一次,第二次通过new String[5]开辟了一片5个存储空间的数组。这时变量arr2中原本存着的地址0x34ab被新地址0x78cd覆盖,arr2变量存放了新数组的地址。原数组在后续的某个时间内,将被自动回收。


当然,当栈区存有数组地址的变量arr1与变量arr2最终出栈后,在堆区划分的数组空间也将在之后被回收。


三、二(多)维数组的内存解析


1. 综合解析


二维数组是“数组的数组”,即一个一维数组中每个元素也是数组。由于数组既可以存储基本数据类型,也可以存储引用数据类型,因而“数组中存数组”的理解是可行的。


二维数组的创建过程与一维数组类似,这里便不再分步解析。我们直接来看内存解析图:



二维数组的内存解析


与一维数组的不同之处在于,二维数组中外层元素也用于存储地址。在创建二维数组时,除了在堆区中为外层元素(一维数组)开辟了存储空间外,还为内层元素开辟了存储空间。同时,内层元素的首元素地址返回给外层元素。


这样,数组名arr1与一维数组名arr1[ ] 像桥梁一样连接到内层元素arr1[ ][ ]。通过地址和存有地址的栈区变量arr1、堆区中的一维数组arr1[ ],我们可以轻松地访问到内层元素。


其中,内层元素的长度可以不相等。int[ ][ ] arr = new int[ ][ ]{{1,2,3},{4,5},{6,7,8}};这样也是可行的,从图中就能清晰的看出,内层元素之间其实是相对独立的。


2. 默认初始化方式对初始值的影响


针对于 int[][] arr = new int[4][3]; 这样将内外层元素个数都指定了的初始化方式,外层元素的初始化值为地址值,内层元素的初始化值则与一维数组初始化情况相同(由元素的数据类型而决定)。


而针对 int[][] arr = new int[4][]; 这样省略内层元素长度的初始化方式而言,外层元素的初始化值为null(相当于未赋值的引用数据类型),内层元素则根本没有初始化值而言(空间还没开辟),不能调用,否则编译器将报错。


测试


//测试代码
 
public class ArrayTest {
  public static void main(String[] args) {
    
    int[][] arr = new int[4][3];
    System.out.println(arr[0]); //[I@15db9742
    System.out.println(arr[0][0]);  //0
    
        //System.out.println(arr);
    
    System.out.println("***********************");
    float[][] arr1 = new float[4][3];
    System.out.println(arr1[0]);  //地址值
    System.out.println(arr1[0][0]); //0.0
    
    System.out.println("***********************");
    
    String[][] arr2 = new String[4][2];
    System.out.println(arr2[1]);  //地址值
    System.out.println(arr2[1][1]); //null
    
    System.out.println("*********************");
    double[][] arr3 = new double[4][];
    System.out.println(arr3[1]);  //null
//    System.out.println(arr3[1][0]); //报错
  }
}


总结


单看数组名,实际上是一个创建在栈区的局部变量。 整个数组数据量可能较大,直接把数组内所有的元素都存放在栈区是不太妥当的。因而,数组的主体部分实际上开辟在堆区。


要想访问数组,若堆区的内容与栈区的数组名arr之间没有任何关系,是无法找到想要访问的数组内容的。因而,堆区会返回开辟的数组空间首元素的地址作为数组主体的地址,传给栈区的局部变量arr(它是一个数组名)。若是二维数组,内层元素的首元素地址会作为外层元素(也就是一维数组名)的内容。


通过地址和存储地址的“数组名”、“一维数组名”,我们可以一连串地找到我们想要访问的数组元素。


该部分内容我用文字表述可能不够简练,大家更多地可以看图,图为重点,通过图示来理解内存解析更好一些。


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