Java内存区域

本文来自《深入理解Java虚拟机》

一 · 前言

对java程序员来讲，在虚拟机自动内存管理的帮助下,不在需要为每一个new操作去配对delete/free代码。不容易出现内存泄漏问题，这一切看起来十分美好，但如果一旦出现内存泄漏和溢出方面问题，如何不了解虚拟机内存是如何运行的，那么排查错误就很艰难。

二·运行时内存区域

《Java虚拟机规范》.png

程序计数器是一块较小的内存空间，他可以看作是当前线程执行的字节码的行号指示器。
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依赖与这个计数器
线程私有：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间，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一个线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都有一个独立的程序计数器，各线程之间的计数器互不影响，独立存储，称这样的内存区域为“线程私有”的内存（虚拟机栈，本地方法栈也是）。
如果线程执行的是一个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；如果执行的native方法，这个计数器值则为空（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。

注：Java语言的设计目标是平台无关的，即构造系统可以调用Java编译器，创建机器无关的字节码文件，而非生成CPU的原生机器码。当程序在以后执行时（如图3.4所示），是在Java虚拟机（Java Virtual Machine，JVM）中启动。虚拟机可以对字节码解释执行，但更像是即时（Just In Time，JIT）编译，在程序执行时将其转译成原生机器码。

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，它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：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被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从入栈到出栈的过程。
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，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者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，其余的数据类型只占用1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量空间是完全确定的，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（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

运行时栈帧结构.png

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，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式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（Java Heap）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都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。
根据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，就像我们的磁盘空间一样。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，将会抛出OutOfMemoryError异常。

注：堆和栈的优缺点
堆的优势是可以动态分配内存大小，生存期也不必事先告诉编译器，因为它是在运行时动态分配内存的。
缺点就是要在运行时动态分配内存，存取速度较慢；
栈的优势是，存取速度比堆要快，仅次于直接位于 CPU 中的寄存器。栈可以共享数据
但缺点是，存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。

方法区
方法区（Method Area）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。
虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。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，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外、还有一项常量池用于存放编译期生产的各种字面量和符号引用。每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，被虚拟机认可装载和执行，但对于运行常量池没有任何细节要求，不同的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域。
运行时常量池相对于Class文件常量池的另外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得比较多的便是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。

直接内存
直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以我们放到这里一起讲解。
在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存（包括RAM及SWAP区或者分页文件）的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制（包括物理上的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常

三·小结

看完文章你是否有个大概的理解了呢，看完之后想到了==和equals
==操作在基本类型中比较的是两个变量的值是否相等，对于引用型变量表示的是两个变量在堆中存储的地址是否相同，即栈中的内容是否相同。
equals操作表示的两个变量是否是对同一个对象的引用，即堆中的内容是否相同。
==比较的是2个对象的地址，而equals比较的是2个对象的内容。