Java内存管理--内存区域划分

简述

写作目的，最近在看《深入理解Java虚拟机》这本书，一是加深印象做点笔记，二是练练自己写博客的能力

软件程序与内存

软件程序我理解就是利用一定的算法去操作数据得到目标结果的这么一个东西。算法其实就是解决问题的方法，数据就是你能操作的资源。

数据需要有一个地方进行存储，这个时候内存是一个很好的选择，因为操作起来速度很快。但是内存的容量一般是有限的，所以在使用内存存储数据的时候需要有自己的一套管理方法。C/C++都是自己来控制，在内存管理领域，既拥有每一个对象的“所有权”，又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。对于Java来说，是由Java虚拟机自动内存管理机制来帮你解决内存管理。

由Java虚拟机来自动管理内存，有好处也有坏处，好处就是不需要在写代码的时候 new 对象的同时还得考虑delete/free。坏处就是，所有东西都是虚拟机帮你做，一旦出问题了，发生内存泄漏或溢出，很难定位问题。

本文主要讨论的是Java虚拟机如何进行内存管理。

Java内存区域

一切都需要从一个Java程序要跑起来,需要哪些东西说起

• 类、对象、常量、方法这些数据
• 各种分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能来控制程序的执行
• 其他

上面这些东西都需要内存来配合完成，可以思考一下，如果让你自己设计虚拟机，那么你会如何划分内存区域？下图展示的是Java如何划分内存区域的

方法区、堆是由所有线程共享的数据区
虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器属于线程隔离的数据区

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它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来完成

由于java虚拟器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，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存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，这个计数器值则为空，此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemeryError情况的区域

虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）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：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）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（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”会在后面专门讲述，而所指的"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（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（指向了一个字节码指令的地址）

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），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（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，他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。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（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

堆

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

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”（Garbage Collected Heap），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，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（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。

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

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

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，对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、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)

运行时常量池（Runtime Constant Pool）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
（Constant Pool Table）,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

总结

上面的内容基本都出自《深入理解Java虚拟机》这本书，主要讲述了Java虚拟机对内存管理中内存区域的划分，以下用一句话概述各个区域的内容，之后会写JVM垃圾回收相关的东西。

• 程序计数器：线程执行方法时记录执行到哪的计数器
• 虚拟机栈：程序执行时存放方法栈帧的地方
• 本地方法栈：跟虚拟机栈类似，只不过是为Native方法服务
• 堆：创建对象后存放对象的地方
• 方法区：线程共享，存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等