Java stack, heap

在 Java 中,Stack(堆疊)和 Heap(堆)是兩個不同的記憶體區域,用於存儲程式執行時的不同類型資料。


Stack(堆疊):

1. Stack 是一個有限的區域,用於存儲方法的執行上下文和本地變數。

2. 每個執行緒在運行時都有自己的 Stack。

3. Stack 中的資料是按照 Last-In-First-Out(後進先出)的順序操作的。

4. 堆疊的記憶體管理由 JVM 自動處理,不需要開發人員手動釋放記憶體。

5. 在方法調用時,方法的參數、局部變數和方法返回地址等資訊都存儲在 Stack 中。

6. 方法的堆疊框架(Stack Frame)被創建和銷毀,以支援方法的執行。

ps:方法返回地址是指當一個方法執行完畢後,程式需要知道要返回到哪個位置繼續執行。在方法調用期間,當遇到一個方法呼叫,程式會將該方法的返回地址(也稱為返回位址或返回目標)存儲在堆疊中。

例如以下程式碼
public class ReturnAddressExample { public static void main(String[] args) { int result = methodA(5, 7); System.out.println("Result: " + result); } public static int methodA(int a, int b) { int sum = a + b; int product = methodB(a, b); return sum + product; } public static int methodB(int x, int y) { int difference = x - y; return difference; } }


Heap(堆):

1. Heap 是一個動態分配的區域,用於存儲物件和數據結構。

2. 所有執行緒共享同一個 Heap,用於動態分配物件的記憶體。

3. Heap 中的資料可以隨時進行存取和操作。

4. 堆的記憶體管理由 Java 的垃圾回收器(Garbage Collector)負責,自動回收不再被使用的物件。

5. 在 Heap 中創建的物件具有較長的生命周期,直到不再被引用時才會被垃圾回收。

6. Java 物件、陣列和類的實例等都存儲在 Heap 中。


簡而言之,Stack 主要用於方法的執行上下文和本地變數,具有有限的大小,按照後進先出的順序操作。而 Heap 則用於動態分配物件的記憶體,具有較長的生命周期並由垃圾回收器進行管理。



Java 的 Stack 和 Heap 與作業系統的 Stack 和 Heap 一樣嗎?

Java 的 Stack 和 Heap 與作業系統的 Stack 和 Heap 在概念和用途上有些相似,但實際上存在一些重要的差異。


Stack(堆疊)的比較:

1. 概念上的相似性:Java 的 Stack 和作業系統的 Stack 都是後進先出(LIFO)的資料結構,用於存儲方法的執行上下文和本地變數等。

2. 差異點:

   - Java 的 Stack 是 JVM 在運行時用於管理方法調用和返回的記憶體區域,每個執行緒都有自己的 Stack。作業系統的 Stack 是作業系統提供的記憶體區域,用於處理函數呼叫、區域變數和返回地址等。

   - Java 的 Stack 是由 JVM 自動管理的,開發人員不需要直接操作或釋放記憶體。作業系統的 Stack 則是由作業系統管理的全域性的資源。


Heap(堆)的比較:

1. 概念上的相似性:Java 的 Heap 和作業系統的 Heap 都是用於動態分配和管理物件的記憶體區域。

2. 差異點:

   - Java 的 Heap 是 JVM 在運行時用於存儲物件和數據結構的記憶體區域,所有執行緒共享同一個 Heap。作業系統的 Heap 是作業系統提供的記憶體區域,用於存儲程序運行時的數據和動態分配的記憶體。

   - Java 的 Heap 是由 JVM 的垃圾回收器(Garbage Collector)自動管理的,負責回收不再被使用的物件。作業系統的 Heap 則是由作業系統管理的,負責分配和回收記憶體。


總結來說,Java 的 Stack 和 Heap 與作業系統的 Stack 和 Heap 在概念上有些相似,但在實際實現、管理和用途上存在重要的差異。Java 的 Stack 和 Heap 是 JVM 內部實現的記憶體區域,用於方法的執行和物件的動態分配,由 JVM 自動管理。作業系統的 Stack 和 Heap 則是作業系統提供的全域性記憶體區域,用於處理函數


呼叫、分配記憶體和管理程序的運行。


封裝,繼承,多型

 當談到物件導向程式設計中的封裝、繼承和多型時,可以使用現實生活中的動物類別作為例子來解釋。


1. 封裝(Encapsulation):

封裝是指將資料(屬性)和方法(行為)封裝在一個物件中,只對外部提供必要的接口以便存取和使用。舉例來說,假設我們有一個動物類別,稱為Animal。Animal類別中包含屬性(例如名字、年齡)和方法(例如發出聲音)。這些屬性和方法被封裝在Animal物件中,只有通過公開的介面(例如方法)才能存取和操作。


public class Animal { private String name; private int age; public Animal(String name, int age) { this.name = name; this.age = age; } public void makeSound() { // 實作聲音的方法 } }


2. 繼承(Inheritance):

繼承是指一個類別(稱為子類別)繼承另一個類別(稱為父類別)的屬性和方法。子類別可以繼承父類別的特性,同時可以添加新的屬性和方法,或者修改父類別的方法。舉例來說,我們可以建立一個Dog類別,它繼承Animal類別的屬性和方法,同時可以定義自己的特殊屬性(例如品種)和方法(例如尾巴搖動)。


public class Dog extends Animal { private String breed; public Dog(String name, int age, String breed) { super(name, age); this.breed = breed; } public void wagTail() { System.out.println(name + " is wagging its tail."); } @Override public void makeSound() { System.out.println(name + " says: Woof!"); } }


3. 多型(Polymorphism):

多型是指相同的方法名稱可以在不同的類別中具有不同的實現方式。這允許使用相同的介面來調用不同類別的方法,提供了更大的彈性。舉例來說,除了Dog類別,我們也可以建立一個Cat類別,它同樣繼承自Animal類別。雖然Dog和Cat都有make_sound方法,但它們的具體實現方式是不同的。


public class Cat extends Animal { public Cat(String name, int age) { super(name, age); } @Override public void makeSound() { System.out.println(name + " says: Meow!"); } }


現在,我們可以創建


不同的動物物件並調用它們的方法:


Animal dog = new Dog("Buddy", 3, "Labrador"); Animal cat = new Cat("Whiskers", 5); dog.makeSound(); // 輸出: Buddy says: Woof! cat.makeSound(); // 輸出: Whiskers says: Meow! ((Dog) dog).wagTail(); // 輸出: Buddy is wagging its tail.


這個例子展示了封裝、繼承和多型的概念在物件導向程式設計中的應用。封裝將屬性和方法封裝在物件中,繼承允許子類別繼承父類別的特性,並添加新的特性,而多型則使得不同的物件可以使用相同的介面來調用方法,但具體的實現方式可能不同。

process, thread, coroutine

當我們談論到 process、thread 和 coroutine 時,可以用以下生活中的例子來解釋這些概念:


1. Process(進程):

假設你正在製作一道菜。這道菜需要多個步驟,例如切菜、炒菜和煮飯。你可以把整個製作菜的過程視為一個進程。在這個例子中,你是主進程,而切菜、炒菜和煮飯則是在這個主進程中執行的子進程。每個子進程都有自己的工作,並與其他子進程獨立運行。進程之間可以通過共享資源(如食材)來進行通信。


2. Thread(線程):

假設你正在閱讀一本書,同時你的朋友正在聽音樂。你們兩人可以被視為不同的線程。每個線程都在執行自己的任務,你閱讀書籍,你的朋友聽音樂。雖然你們兩人在同一個進程中,但各自的線程是相互獨立的,不會互相干擾。線程可以同時執行,並通過共享內存來實現信息交換。


3. Coroutine(協程):

當你在玩一個多人遊戲時,你可能與其他玩家在線上互動。這時候,你可以使用coroutine(協程)的概念來管理不同的遊戲任務。


假設你正在玩一個角色扮演遊戲,並且你的角色需要進行各種活動,例如戰鬥、採集資源、尋找任務等等。當你進入一個戰鬥場景時,你的角色需要處理戰鬥相關的邏輯,例如攻擊、防禦、計算傷害等等。同時,你可能也需要處理其他的活動,例如採集資源、與其他玩家聊天、接收遊戲通知等等。


在這種情況下,你可以使用coroutine來管理這些不同的遊戲任務。你可以將戰鬥相關的邏輯作為一個coroutine,當進入戰鬥時啟動它。同時,你也可以創建其他的coroutine來處理其他的活動。這樣,不同的coroutine可以在需要時進行切換,使得你的角色可以同時進行多個任務,例如在戰鬥期間也能夠採集資源或與其他玩家聊天。


透過使用coroutine,你可以更有效地管理遊戲中的不同任務,避免了阻塞和單一執行緒的限制。它提供了一種非阻塞的執行方式,使得你的角色可以在不同任務之間自由切換,並實現更好的遊戲體驗。



總結來說,process(進程)是一個獨立的執行環境,可以包含多個線程(threads)。每個線程(thread)是進程中的單獨執行單位,可以同時執行。而coroutine(協程)則是在同一線程中的一種特殊執行單位,可以暫停和恢復執行,並允許在不同任務之間進行切換。

Java Reference vs Object vs Instance vs Class 2

 



以上圖為例

House blueHouse = new House("blue")是創建 House 類別的新實例。記住 House 是一個藍圖,我們將它分配給 blueHouse 變數。 換句話說,它是對記憶體中物件的引用。 


下一行 House anotherHouse = blueHouse; 在記憶體中創建對同一物件的另一個引用。 這裡我們有兩個引用指向記憶體中的同一個物件。 仍然是一所房子,但對那個物件有兩個引用。舉例來說,我們有兩張紙,上面寫著房子建造地點的實際地址。


接下來我們有兩個打印 blueHouse 顏色和 anotherHouse 顏色的 println 語句。 兩者都將打印“blue”,因為我們有兩個對同一物件的引用。


下一行調用方法 setColor 並將顏色設置為黃色。 在左側,您可以看到 blueHouse 和 anotherHouse 現在都具有相同的顏色。 為什麼? 請記住,我們有兩個引用指向記憶體中的同一個物件。 一旦我們改變其中一個的顏色,兩個引用仍然指向同一個物件。 在我們的真實世界示例中,即使我們在兩張紙上寫了相同的地址,該地址仍然只有一所房屋。


從House greenHouse = new House("green"),我們正在創建另一個顏色設置為“綠色”的 House 類別的新實例。 現在我們在記憶體中有兩個物件,但我們有三個引用,分別是 blueHouse、anotherHouse 和 greenHouse。 變數(引用)greenHouse指向記憶體中的一個物件,而blueHouse和anotherHouse指向記憶體中的另一個物件。


這裡我們將anotherHouse指向greenHouse參考的物件。 換句話說,我們正在取消對另一個房子的引用。 它現在將指向記憶體中的另一個物件。 在它指向具有“黃色”顏色的房子之前,現在它指向具有“綠色”顏色的房子。 在這種情況下,我們在記憶體中仍然有三個引用和兩個對象,但是 blueHouse 指向一個物件,而 anotherHouse 和 greenHouse 指向記憶體中的同一個物件。


Java Reference vs Object vs Instance vs Class

 









如果以蓋房子來比喻

類別(Class)基本上是房子的藍圖。

使用藍圖,我們可以根據這些計劃建造任意數量的房屋。

我們建造的每個房子(換句話說,使用 new 關鍵字)都是一個物件(Object)。

這個物件也可以稱為實例或實體(Instance),通常我們會說它是類別的實例。 所以在這個例子中我們會有一個 house 的實例。

我們建造的每棟房子都有一個地址。

換句話說,如果我們想告訴別人我們住在哪裡,我們就給他們我們的地址。 這稱為參考(Reference)。

我們可以根據需要多次復制該引用,但我們仍然只引用一所房子。

換句話說,我們複製的是地址,而不是房子本身。

我們可以將引用作為參數傳遞給構造函數和方法。