面试必备：一篇关于Java内存的探究

摘要： 本博客为《深入理解java虚拟机》的学习笔记，如有写的不妥之处，欢迎fadeback。

有关Java内存的误解

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      初学java好多人都会误以为Java内存分为三块：方法区、堆内存、栈内存。其实Java内存区域的划分远比这个复杂。首先上图，下面会依次介绍每个区域的作用。

图 1-1 Java虚拟机运行时数据区

      如上图，Java内存大致分为：虚拟机栈、本地方法栈、方法区、堆内存、PC寄存器（又名程序计数器）。PC寄存器这个名字可能有的人会疑惑、没有听说过，所以首先介绍它在Java内存中起的作用。

PC寄存器（程序计数器）

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      PC寄存器（Program Counter Register）在Java内存中占用的空间较小，它的主要作用是记录当前线程所执行的字节码的行号。它是线程独有的，程序运行时，每条线程都有一个独立的PC寄存器，各条线程之间互不影响，独立存储。

      在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），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来完成。

      个人认为有关PC寄存器的知识就了解这么多就可以了，有兴趣的同学可以继续深究，有任何疑问也可以联系我或在下方留言。

Java虚拟机栈

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      Java虚拟机栈主要用于存储方法调用时创建的栈帧，栈帧内部存储着局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。与PC寄存器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，即每个线程都拥有一个虚拟机栈。当线程调用某一方法时，就会在线程所属的虚拟机栈内创建一个对应的栈帧，方法结束后，栈帧就会被销毁。如图：

图 1-2 虚拟机栈模拟

栈帧中的局部变量表

      局部变量表中存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、char、float、long、double）、对象引用（reference类型，它只是一个指向对象地址的引用指针，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，这是因为不同的JVM有不同的实现方式）。

      注意：局部变量表所需的空间在编译期间就已经确定，方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

Java虚拟机栈被规定的异常状况

在Java虚拟机规范中，对此区域规定了两种异常状况：

1.线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverFlowError异常

2.如果当前虚拟机可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存，将抛出OutOfMemoryError异常

我会在后续文章中详细分析JVM运行时有关内存区域抛出异常的情况，敬请关注后续文章。

本地方法栈

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      本地方法栈与虚拟机栈十分相似，他们之间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。它同虚拟机栈一样，也会抛出StackOverFlowError异常与OutOfMemoryError异常。

在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、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（如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机合二为一。

Java堆

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      Java堆是用来存放对象实例以及数组的，各个线程共享堆内存区域。几乎所有的对象实例都在这里分配内存，在Java虚拟机规范中是这样描述堆内存的：

      几乎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堆还可以细分为：新生代和老年代，再往下分可以分为：Eden空间、From Surviuor空间、To Surviuor空间等。

      JVM中有关堆内存分配有一种方案：将Java堆中划分出多个线程私有的本地线程分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，简称TLAB），即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存。这样做是为了解决线程要在堆中分配内存时的线程安全问题（实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式来分配内存）。虚拟机是否使用TLAB可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

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。

方法区

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      方法区主要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，它同堆内存一样都是线程共享的内存区域，也一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展，并且还可以选择不实现垃圾收集。

JVM对方法区的垃圾收集条件相当苛刻：

永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。回收废弃常量与回收Java堆中的对象相似。而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则要苛刻的多。类需要同时满足下面3个条件才能算是“无用的类”：

1.该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例。

2.加载该类的ClassLoader已经被回收。

3.该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

当满足这三个条件时，对应的类才 可以 被回收，要想让JVM回收这些无用的类还需要对-Xnoclassgc参数进行设置。

      在大量使用反射、动态代理、CGLib等ByteCode框架、动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机具备类卸载的功能，以保证永久代不会溢出。

      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，还有一项信息是常量池，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。

非内存的内存：直接内存

      直接内存（Direct Memory）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OutOfMemoryErrory异常出现。

      在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道与缓冲区的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堆中的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，因为避免了再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，肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。值得注意的是在设置JVM内存时，还要考虑到直接内存的大小，否则会造成各个内存区域的总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。