Java スタック vs ヒープ：メモリ割り当て実践ガイド

スタックメモリとは？

Java におけるスタックは、メソッド呼び出しフレーム、ローカル変数、参照変数を保持する連続したメモリ領域です。メソッドが呼び出されるたびに、新しいフレームがスタックにプッシュされます。スタックメモリは Last-In, First-Out（LIFO、後入れ先出し）方式で管理され、最も最近の呼び出しが最初にメソッド返却時に削除されます。

ヒープメモリとは？

ヒープは Java オブジェクトが作成される領域です。クラスのすべてのインスタンスと、それらを指す参照変数（オプション）を保持します。スタックとは異なり、ヒープは単一のメソッド呼び出しのライフタイムに縛られず、オブジェクトが作成されたスコープを超えて存続できます。

Java におけるメモリ割り当て

Java のメモリ割り当て とは、プログラムデータのために仮想メモリを予約するプロセスを指します。変数は宣言時に割り当てられるのではなく、参照が作成されます。new 演算子が使用されると、JVM がヒープ上にオブジェクトのための領域を確保します。

Java は効率的な管理のためにメモリを4つの異なるセクションに分割します：

1. ヒープ
2. スタック
3. コード（バイトコード）
4. スタティック（クラスデータ）

• コード セクションにはコンパイル済みバイトコードが含まれる
• スタック にはメソッドフレーム、ローカル変数、参照変数が保持される
• ヒープ にはオブジェクトと、場合によっては参照変数が格納される
• スタティック セクションには static フィールドとメソッドが保持される

ローカル変数 vs インスタンス変数

インスタンス変数 はクラス内でメソッドの外側に宣言されます：

class Student {
    int num; // インスタンス変数
    public void showData() {}
}

ローカル変数 はメソッド内（またはメソッドパラメータとして）で宣言されます：

public void sum(int a) {
    int x = a + 3; // a と x はローカル変数
}

スタックとヒープの動作例

メソッド呼び出し時にスタックとヒープがどう相互作用するか、例で説明します。

main メソッドが m1() を呼び出すと仮定：

public void m1() {
    int x = 20;
}

m1 のフレームがスタックにプッシュされ、ローカル変数 x がこのフレームに格納されます。

m1 が m2(int b) を呼び出すと、m1 のフレームの上に新しいフレームが追加されます：

public void m2(int b) {
    boolean c;
}

同様に m2 が m3() を呼び出すと、さらに別のフレームが作成されます：

m3 内で Account オブジェクトがヒープ上にインスタンス化され、その参照 ref はスタック上に存在します：

class Account {
    int p;
    int q;
}
public void m3() {
    Account ref = new Account(); // 追加コード
}

参照変数 ref は m3 のスタックフレームに作成され、ヒープ上の Account オブジェクトを指します。

m3 が完了すると、そのスタックフレームがポップされ、Account オブジェクトは参照を持たなくなり、ガベージコレクションの対象になります。

m2 と m1 でも同じプロセスが繰り返され、最終的に main に制御が戻ります。

インスタンス変数としてのオブジェクト参照

B のインスタンスへの参照を持つクラス A を考えます：

public static void main(String[] args) {
    A parent = new A(); // 追加コード
}
class A {
    B child = new B();
    int e;
}
class B {
    int c;
    int d;
}

ここでは、child 参照が A オブジェクトの一部としてヒープ上に格納され、独自の B インスタンスを指しています。

重要なポイント

• 各メソッド呼び出しでスタックに新しいフレームが作成される
• ローカル変数はスタックに、インスタンス変数はヒープに存在する
• 参照変数はスタックに格納されるが、ヒープオブジェクトを指す
• スタックフレームがポップされると、そのローカル変数と参照変数は破棄され、孤立したヒープオブジェクトはガベージコレクションの対象になる