Java內(nèi)存管理原理
Java內(nèi)存怎么劃分?經(jīng)常有人把Java內(nèi)存區(qū)分為堆內(nèi)存(Heap)和棧內(nèi)存(Stack)，這種分法比較粗糙，Java內(nèi)存區(qū)域的劃分實(shí)際上遠(yuǎn)比這復(fù)雜。這種劃分方式的流行只能說(shuō)明大多數(shù)程序員最關(guān)注的、與對(duì)象內(nèi)存分配關(guān)系最密切的內(nèi)存區(qū)域是這兩塊。其中所指的“堆”是為 Java 堆，所指的“棧”是為虛擬機(jī)棧或者說(shuō)是虛擬機(jī)棧中局部變量表部分。
Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存將會(huì)包括以下幾個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域，如下圖所示：
程序計(jì)數(shù)器
程序計(jì)數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。在虛擬機(jī)的概念模型里，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器完成。
由于Java虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器(對(duì)于多核處理器來(lái)說(shuō)是一個(gè)內(nèi)核)都只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱這類區(qū)域?yàn)?ldquo;線程私有”的內(nèi)存。
如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址;如果正在執(zhí)行的`是Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值為空(undefined)。
此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定任何 OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。
Java虛擬機(jī)棧
與程序計(jì)數(shù)器一樣，Java 虛擬機(jī)棧也是線程私有的，生命周期與線程相同。
虛擬機(jī)棧描述的是 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法調(diào)用直至執(zhí)行完成的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過(guò)程。
局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、對(duì)象引用(reference類型，它不等同于對(duì)象本身，可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔�，也可能是指向一個(gè)代表對(duì)象的句柄或其他與此對(duì)象相關(guān)的位置)和returnAddress類型(指向了一條字節(jié)碼指令的地址)。
其中64位長(zhǎng)度的 long 和 double 類型的數(shù)據(jù)會(huì)占用2 個(gè)局部變量空間(Slot)，其余的數(shù)據(jù)類型只占用一個(gè)。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變空間是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。
在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出 StackOverflowError 異常;如果虛擬機(jī)棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，如果擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出 OutOfMemoryError 異常。
本地方法棧
本地方法棧與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，區(qū)別不過(guò)是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行 Java 方法服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的 Native 方法服務(wù)。在虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中的方法使用的語(yǔ)言、使用方法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)(譬如Sun HotSpot虛擬機(jī))直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。
與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會(huì)拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。
Java 堆
對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Java 堆是 Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都在這里分配內(nèi)存。
Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱為“GC堆”。從內(nèi)存分配的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代收集算法，所以 Java 堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代;再細(xì)致一點(diǎn)的有 Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等。從內(nèi)存分配的角度看，線程共享的 Java 堆中可能劃分出多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)。不過(guò)無(wú)論如何劃分，都與存放內(nèi)容無(wú)關(guān)，無(wú)論哪個(gè)區(qū)域，存儲(chǔ) 的都仍然是對(duì)象實(shí)例，進(jìn)一步劃分的目的是為了更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。
Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，Java 堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的，不過(guò)當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)的(通過(guò)-Xmx和 -Xms控制)。
如果在堆中沒(méi)有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，會(huì)拋出 OutOfMemoryError 異常。
方法區(qū)
方法區(qū)與 Java 堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。
方法區(qū)在虛擬機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候被創(chuàng)建，雖然方法區(qū)是堆的邏輯組成部分，但是簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)可以選擇在這個(gè)區(qū)域不實(shí)現(xiàn)垃圾回收。Java虛擬機(jī)規(guī)范也不限定實(shí)現(xiàn)方法區(qū)的內(nèi)存位置和編譯代碼的管理策略。方法區(qū)的容量可以是固定大小的，也可以隨著程序執(zhí)行的需求動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，并不在過(guò)多空間時(shí)自動(dòng)收縮。方法區(qū)在實(shí)際內(nèi)存空間 中可以是不連續(xù)的。
根據(jù) Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出 OutOfMemoryError 異常。
運(yùn)行時(shí)常量池
運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容將在類加載后進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中存放。一般來(lái)說(shuō)，除了保存Class文件中描述的符號(hào)引用外，還會(huì)把翻譯出來(lái)的直接引用也存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)常量池中。
運(yùn)行時(shí)常量池相對(duì)于 Class 文件常量池的另一個(gè)重要特征是具備動(dòng)態(tài)性，Java 語(yǔ)言并不要求常量一定只有編譯期才能產(chǎn)生，也就是并非預(yù)置入 Class 文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開(kāi)發(fā)人員利用的比較多的便是 String 類的 intern() 方法。
既然運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，自然受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o法再申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出 OutOfMemoryError 異常。
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