Java JVM与内存分配-Android面试准备2019-2-3

Java程序运行机制与JVM

Java编写的程序需要经过编译，但编译不会生成特定平台的机器码，而是生成一种与平台无关只面向JVM的字节码(即.class文件)。这种字节码必须使用Java解释器来解释执行，Java里负责解释执行字节码文件就是JVM。JVM是可运行Java字节码文件的虚拟计算机。

JVM = 类加载器 + 执行引擎 + 运行时数据区域。

类加载器将Class文件加载到JVM中的运行时数据区域，执行引擎负责执行字节码文件。

Java内存分配的粗糙分法

Java把内存划分成两种：栈内存与堆内存。基本类型变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配，而堆内存用来存放由new创建的对象和数组。在堆中产生了一个数组或对象之后，可以在栈中定义一个特殊的变量，让栈中的这个变量的取值等于数组或对象在堆内存中的首地址，栈中的这个变量就成了数组或对象的引用变量。引用变量在程序运行到其作用域之外后被释放(其实就类似于局部变量的释放)。数组和对象在没有引用变量指向它的时候变为垃圾，在随后的一个不确定的时间被垃圾回收器收走。

Java内存分配的准确分法

Java虚拟机所管理的内存包括以下几个运行时数据区域。

Java虚拟机运行时数据区

程序计数器

程序计数器(线程私有)是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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，因此为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有个独立的程序计数器。

虚拟机栈

Java虚拟机栈(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。每一个方法从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。

经常有人把Java内存区分为堆内存和栈内存，这种分法比较粗糙。其中所指的"栈"就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型和对象引用和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。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)，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(线程私有)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的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，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。有的虚拟机(Hotspot)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。

堆

对于大多数应用来说，Java堆(也叫做"GC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。

从内存回收的角度来看，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。从内存分配的角度来看，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(TLAB)，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。

根据Java虚拟机规范规定，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。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

方法区也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)，目的是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人都更愿意把方法区称为"永久代"(Permanent Generation)，本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样Hotspot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机(如BEA JRockit、IBMJ9等)来说是不存在永久代的概念的。使用永久代来实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题，而且有极少数方法(例如String.intern())会因这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。所以在目前已经发布的JDK1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样永久存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

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，还有一项信息是常量池(叫做Class文件常量池)，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。

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的比较多的便是String类的intern()方法。JDK1.8版本中，String常量池已经从方法区中的运行时常量池分离到堆中了。

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。