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[Java教程]Java内存管理原理及内存区域详解


经常有人把Java内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),这种分法比较粗糙,Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”是为 Java 堆,所指的“栈”是为虚拟机栈或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

  Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域,如下图所示:



  程序计数器
  程序计数器是一块较小的内存空间,可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里,字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器完成。
  由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,独立存储,我们称这类区域为“线程私有”的内存。
  如果线程正在执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Native方法,这个计数器值为空(undefined)。
  此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
 
  Java虚拟机栈
  与程序计数器一样,Java 虚拟机栈也是线程私有的,生命周期与线程相同。
  虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型:每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
  局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double
)、对象引用(reference类型,它不等同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。
  其中64位长度的 long 和 double 类型的数据会占用2 个局部变量空间(Slot),其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在帧中分配多大的局部变空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
  在 Java 虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常状况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出 StackOverflowError 异常;如果虚拟机栈可以动态扩展,如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出 OutOfMemoryError 异常。
 
  本地方法栈
  本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方法与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如Sun HotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
  与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。
 
  Java 堆
  对于大多数应用来说,Java 堆是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。
  Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称为“GC堆”。从内存分配的角度看,由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以 Java 堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有 Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等。从内存分配的角度看,线程共享的 Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。不过无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储 的都仍然是对象实例,进一步划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。
  Java虚拟机规范的规定,Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可。在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和 -Xms控制)。
  如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,会抛出 OutOfMemoryError 异常。
 
  方法区
  方法区与 Java 堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
  方法区在虚拟机启动的时候被创建,虽然方法区是堆的逻辑组成部分,但是简单的虚拟机实现可以选择在这个区域不实现垃圾回收。Java虚拟机规范也不限定实现方法区的内存位置和编译代码的管理策略。方法区的容量可以是固定大小的,也可以随着程序执行的需求动态扩展,并不在过多空间时自动收缩。方法区在实际内存空间 中可以是不连续的。
  根据 Java 虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出 OutOfMemoryError 异常。
 
  运行时常量池
  运行时常量池是方法区的一部分,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。一般来说,除了保存Class文件中描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。
  运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另一个重要特征是具备动态性,Java 语言并不要求常量一定只有编译期才能产生,也就是并非预置入 Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用的比较多的便是 String 类的 intern() 方法。
  既然运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。
 
 
 
  参考资料:
  《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践》
  《Java虚拟机规范(Java SE 7)》