從JVM底層原理分析數值交換那些事

基礎資料型別交換

這個話題，需要從最最基礎的一道題目說起，看題目：以下程式碼a和b的值會交換麼：

public static void main（String［］ args） { int a = 1， b = 2； swapInt（a， b）； System。out。println（“a=” + a + “ ， b=” + b）； } private static void swapInt（int a， int b） { int temp = a； a = b； b = temp； }

結果估計大家都知道，a和b並沒有交換：

integerA=1 ， integerB=2

但是原因呢？先看這張圖，先來說說Java虛擬機器的結構：

執行時區域主要分為：

執行緒私有：

程式計數器：Program Count Register，執行緒私有，沒有垃圾回收

虛擬機器棧：VM Stack，執行緒私有，沒有垃圾回收

本地方法棧：Native Method Stack，執行緒私有，沒有垃圾回收

執行緒共享：

方法區：Method Area，以HotSpot為例，JDK1。8後元空間取代方法區，有垃圾回收。

堆：Heap，垃圾回收最重要的地方。

和這個程式碼相關的主要是虛擬機器棧，也叫方法棧，是每一個執行緒私有的。

生命週期和執行緒一樣，主要是記錄該執行緒Java方法執行的記憶體模型。虛擬機器棧裡面放著好多

棧幀

。

注意虛擬機器棧，對應是Java方法，不包括本地方法。

一個Java方法執行會建立一個棧幀

，一個棧幀主要儲存：

區域性變量表

運算元棧

動態連結

方法出口

每一個方法呼叫的時候，就相當於將一個

棧幀

放到虛擬機器棧中（入棧），方法執行完成的時候，就是對應著將該棧幀從虛擬機器棧中彈出（出棧）。

每一個執行緒有一個自己的虛擬機器棧，這樣就不會混起來，如果不是執行緒獨立的話，會造成呼叫混亂。

大家平時說的java記憶體分為堆和棧，其實就是為了簡便的不太嚴謹的說法，他們說的棧一般是指虛擬機器棧，或者虛擬機器棧裡面的區域性變量表。

區域性變量表一般存放著以下資料：

基本資料型別（boolean，byte，char，short，int，float，long，double）

物件引用（reference型別，不一定是物件本身，可能是一個物件起始地址的引用指標，或者一個代表物件的控制代碼，或者與物件相關的位置）

returAddress（指向了一條位元組碼指令的地址）

區域性變量表記憶體大小編譯期間確定，執行期間不會變化。空間衡量我們叫Slot（區域性變數空間）。64位的long和double會佔用2個Slot，其他的資料型別佔用1個Slot。

上面的方法呼叫的時候，實際上棧幀是這樣的，呼叫main（）函式的時候，會往虛擬機器棧裡面放一個棧幀，棧幀裡面我們主要關注區域性變量表，傳入的引數也會當成區域性變數，所以第一個區域性變數就是引數args，由於這個是static方法，也就是類方法，所以不會有當前物件的指標。

如果是普通方法，那麼區域性變量表裡面會多出一個區域性變數this。

如何證明這個東西真的存在呢？我們大概看看位元組碼，因為區域性變數在編譯的時候就確定了，執行期不會變化的。下面是IDEA外掛jclasslib檢視的：

上面的圖，我們在main（）方法的區域性變量表中，確實看到了三個變數：args，a，b。

那在main()方法裡面呼叫了swapInt(a, b)呢？

那堆疊裡面就會放入swapInt（a，b）的棧幀，

相當於把a和b區域性變數複製了一份

，變成下面這樣，由於裡面一共有三個區域性變數：

a：引數

b：引數

temp：函式內臨時變數

a和b交換之後，其實swapInt（a，b）的棧幀變了，a變為2，b變為1，但是main（）棧幀的a和b並沒有變。

那同樣來從位元組碼看，會發現確實有3個區域性變數在區域性變量表內，並且他們的數值都是int型別。

而swap（a，b）執行結束之後，該方法的堆疊會被彈出虛擬機器棧，此時虛擬機器棧又剩下main（）方法的棧幀，由於基礎資料型別的數值相當於存在區域性變數中，swap（a，b）棧幀中的區域性變數不會影響main（）方法的棧幀中的區域性變數，所以，就算你在swap（a，b）中交換了，也不會變。

基礎包裝資料型別交換

將上面的資料型別換成包裝型別，也就是Integer物件，結果會如何呢？

public static void main（String［］ args） { Integer a = 1， b = 2； swapInteger（a， b）； System。out。println（“a=” + a + “ ， b=” + b）； } private static void swapInteger（Integer a， Integer b） { Integer temp = a； a = b； b = temp； }

結果還是一樣，交換無效：

a=1 ， b=2

這個怎麼解釋呢？

物件型別已經不是基礎資料型別了，區域性變量表裡面的變數存的不是數值，而是物件的引用了。先用jclasslib檢視一下位元組碼裡面的區域性變量表，發現其實和上面差不多，只是描述符變了，從int變成Integer。

但是和基礎資料型別不同的是，區域性變數裡面存在的其實是堆裡面真實的物件的引用地址，透過這個地址可以找到物件，比如，執行main（）函式的時候，虛擬機器棧如下：

假設 a 裡面記錄的是 1001 ，去堆裡面找地址為 1001 的物件，物件裡面存了數值1。b 裡面記錄的是 1002 ，去堆裡面找地址為 1002 的物件，物件裡面存了數值2。

而執行swapInteger（a，b）的時候，但是還沒有交換的時候，相當於把 區域性變數複製了一份：

而兩者交換之後，其實是SwapInteger（a，b）棧幀中的a裡面存的地址引用變了，指向了b，但是b裡面的，指向了a。

而swapInteger（）執行結束之後，其實swapInteger（a，b）的棧幀會退出虛擬機器棧，只留下main（）的棧幀。

這時候，a其實還是指向1，b還是指向2，因此，交換是沒有起效果的。

String，StringBuffer，自定義物件交換

一開始，我以為String不會變是因為final修飾的，但是實際上，不變是對的，但是不是這個原因。原因和上面的差不多。

String是不可變的，只是說堆/常量池內的資料本身不可變。但是引用還是一樣的，和上面分析的Integer一樣。

其實StringBuffer和自定義物件都一樣，區域性變量表記憶體在的都是引用，所以交換是不會變化的，因為swap（）函式內的棧幀不會影響呼叫它的函式的棧幀。

不行我們來測試一下，用事實說話：

public static void main（String［］ args） { String a = new String（“1”）， b = new String（“2”）； swapString（a， b）； System。out。println（“a=” + a + “ ， b=” + b）； StringBuffer stringBuffer1 = new StringBuffer（“1”）， stringBuffer2 = new StringBuffer（“2”）； swapStringBuffer（stringBuffer1， stringBuffer2）； System。out。println（“stringBuffer1=” + stringBuffer1 + “ ， stringBuffer2=” + stringBuffer2）； Person person1 = new Person（“person1”）； Person person2 = new Person（“person2”）； swapObject（person1，person2）； System。out。println（“person1=” + person1 + “ ， person2=” + person2）； } private static void swapString（String s1，String s2）{ String temp = s1； s1 = s2； s2 = temp； } private static void swapStringBuffer（StringBuffer s1，StringBuffer s2）{ StringBuffer temp = s1； s1 = s2； s2 = temp； } private static void swapObject（Person p1，Person p2）{ Person temp = p1； p1 = p2； p2 = temp； } class Person{ String name； public Person（String name）{ this。name = name； } @Override public String toString（） { return “Person{” + “name=‘” + name + ’\‘’ + ‘}’； } }

執行結果，證明交換確實沒有起效果。

a=1 ， b=2 stringBuffer1=1 ， stringBuffer2=2 person1=Person{name=‘person1’} ， person2=Person{name=‘person2’}

總結

基礎資料型別交換，棧幀裡面存的是區域性變數的數值，交換的時候，兩個棧幀不會干擾，swap（a，b）執行完成退出棧幀後，main（）的區域性變量表還是以前的，所以不會變。

物件型別交換，棧幀裡面存的是物件的地址引用，交換的時候，只是swap（a，b）的區域性變量表的區域性變數裡面存的引用地址變化了，同樣swap（a，b）執行完成退出棧幀後，main（）的區域性變量表還是以前的，所以不會變。

所以不管怎麼交換都是不會變的。