从JVM底层原理分析数值交换那些事

基础数据类型交换

这个话题，需要从最最基础的一道题目说起，看题目：以下代码a和b的值会交换么：

    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;
    }    

结果估计大家都知道，a和b并没有交换：

integerA=1 , integerB=2

但是原因呢？先看这张图，先来说说Java虚拟机的结构：

运行时区域主要分为：

• 线程私有：

  • 程序计数器:Program Count Register,线程私有，没有垃圾回收
  • 虚拟机栈:VM Stack，线程私有，没有垃圾回收
  • 本地方法栈:Native Method Stack,线程私有，没有垃圾回收

• 线程共享：

  • 方法区:Method Area，以HotSpot为例，JDK1.8后元空间取代方法区，有垃圾回收。
  • 堆:Heap，垃圾回收最重要的地方。

和这个代码相关的主要是虚拟机栈，也叫方法栈，是每一个线程私有的。
生命周期和线程一样，主要是记录该线程Java方法执行的内存模型。虚拟机栈里面放着好多栈帧。注意虚拟机栈，对应是Java方法，不包括本地方法。

一个Java方法执行会创建一个栈帧，一个栈帧主要存储：

• 局部变量表
• 操作数栈
• 动态链接
• 方法出口

每一个方法调用的时候，就相当于将一个栈帧放到虚拟机栈中（入栈），方法执行完成的时候，就是对应着将该栈帧从虚拟机栈中弹出（出栈）。

每一个线程有一个自己的虚拟机栈，这样就不会混起来，如果不是线程独立的话，会造成调用混乱。

大家平时说的java内存分为堆和栈，其实就是为了简便的不太严谨的说法，他们说的栈一般是指虚拟机栈，或者虚拟机栈里面的局部变量表。

局部变量表一般存放着以下数据：

• 基本数据类型（boolean,byte,char,short,int,float,long,double）
• 对象引用（reference类型，不一定是对象本身，可能是一个对象起始地址的引用指针，或者一个代表对象的句柄，或者与对象相关的位置）
• returAddress（指向了一条字节码指令的地址）

局部变量表内存大小编译期间确定，运行期间不会变化。空间衡量我们叫Slot（局部变量空间）。64位的long和double会占用2个Slot，其他的数据类型占用1个Slot。

上面的方法调用的时候，实际上栈帧是这样的，调用main()函数的时候，会往虚拟机栈里面放一个栈帧，栈帧里面我们主要关注局部变量表，传入的参数也会当成局部变量，所以第一个局部变量就是参数args，由于这个是static方法，也就是类方法，所以不会有当前对象的指针。

如果是普通方法，那么局部变量表里面会多出一个局部变量this。

如何证明这个东西真的存在呢？我们大概看看字节码，因为局部变量在编译的时候就确定了，运行期不会变化的。下面是IDEA插件jclasslib查看的:

上面的图，我们在main()方法的局部变量表中，确实看到了三个变量：args,a，b。

那在main()方法里面调用了swapInt(a, b)呢？

那堆栈里面就会放入swapInt(a,b)的栈帧，相当于把a和b局部变量复制了一份，变成下面这样，由于里面一共有三个局部变量：

• a:参数
• b：参数
• temp：函数内临时变量

a和b交换之后，其实swapInt(a,b)的栈帧变了，a变为2，b变为1，但是main()栈帧的a和b并没有变。

那同样来从字节码看，会发现确实有3个局部变量在局部变量表内，并且他们的数值都是int类型。

而swap(a,b)执行结束之后，该方法的堆栈会被弹出虚拟机栈，此时虚拟机栈又剩下main()方法的栈帧，由于基础数据类型的数值相当于存在局部变量中，swap(a,b)栈帧中的局部变量不会影响main()方法的栈帧中的局部变量，所以，就算你在swap(a,b)中交换了，也不会变。

基础包装数据类型交换

将上面的数据类型换成包装类型，也就是Integer对象,结果会如何呢？

    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;
    }

结果还是一样，交换无效：

a=1 , b=2

这个怎么解释呢？

对象类型已经不是基础数据类型了，局部变量表里面的变量存的不是数值，而是对象的引用了。先用jclasslib查看一下字节码里面的局部变量表，发现其实和上面差不多，只是描述符变了，从int变成Integer。

但是和基础数据类型不同的是，局部变量里面存在的其实是堆里面真实的对象的引用地址，通过这个地址可以找到对象，比如，执行main()函数的时候，虚拟机栈如下：

假设 a 里面记录的是 1001 ，去堆里面找地址为 1001 的对象，对象里面存了数值1。b 里面记录的是 1002 ，去堆里面找地址为 1002 的对象，对象里面存了数值2。

而执行swapInteger(a,b)的时候，但是还没有交换的时候，相当于把 局部变量复制了一份：

而两者交换之后，其实是SwapInteger(a,b)栈帧中的a里面存的地址引用变了，指向了b，但是b里面的，指向了a。

而swapInteger()执行结束之后，其实swapInteger(a,b)的栈帧会退出虚拟机栈，只留下main()的栈帧。

这时候，a其实还是指向1，b还是指向2，因此，交换是没有起效果的。

String，StringBuffer，自定义对象交换

一开始，我以为String不会变是因为final修饰的，但是实际上，不变是对的，但是不是这个原因。原因和上面的差不多。

String是不可变的，只是说堆/常量池内的数据本身不可变。但是引用还是一样的，和上面分析的Integer一样。

其实StringBuffer和自定义对象都一样，局部变量表内存在的都是引用，所以交换是不会变化的，因为swap()函数内的栈帧不会影响调用它的函数的栈帧。

不行我们来测试一下，用事实说话：

   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 + '\'' +
                '}';
    }
}

执行结果,证明交换确实没有起效果。

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

总结

基础数据类型交换，栈帧里面存的是局部变量的数值，交换的时候，两个栈帧不会干扰，swap(a,b)执行完成退出栈帧后，main()的局部变量表还是以前的，所以不会变。

对象类型交换，栈帧里面存的是对象的地址引用，交换的时候，只是swap(a,b)的局部变量表的局部变量里面存的引用地址变化了，同样swap(a,b)执行完成退出栈帧后，main()的局部变量表还是以前的，所以不会变。

所以不管怎么交换都是不会变的。

【作者简介】：
秦怀，公众号【秦怀杂货店】作者，技术之路不在一时，山高水长，纵使缓慢，驰而不息。个人写作方向：Java源码解析，JDBC，Mybatis，Spring，redis，分布式，剑指Offer，LeetCode等，认真写好每一篇文章，不喜欢标题党，不喜欢花里胡哨，大多写系列文章，不能保证我写的都完全正确，但是我保证所写的均经过实践或者查找资料。遗漏或者错误之处，还望指正。

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