JAVA内存区域学习笔记

最近看了周志明的《深入理解java虚拟机》一书，看到java内存区域与内存溢出异常一章，颇有收获，现将学习笔记整理如下。

对于java程序员来说，有了JVM的内存管理的帮助，不再需要为每一个对象的创建和销毁进行人工处理。JVM的内存管理使程序不容易出现内存泄露和内存溢出的问题，在C++程序员看来这是一件多么好的事情。但是再好的魔术师也有失手的时候，一旦出现内存问题，就必须了解其本质原理才能解决问题。因此就像书中作者所说，对于C++与java来说，这是一堵“围墙”。

 

1. 运行时数据区域

JVM在执行java程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

 

 

 

1.1 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是单签线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型中，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。其实此时可以讲JVM理解为一台计算机，它的解析指令就是一行一行的字节码，类似于计算机的程序计数器PC。

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的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，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字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，这个计数器值侧位空。此内存区域是唯一一个在JVM规范中没有规定任务OOME（OutOfMemoryError）情况的区域。

1.2 Java虚拟机栈

java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的。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、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完成的过程，就是对应着一个栈帧在VM Stack中从入栈到出栈的过程。

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。

1.3 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）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。虚拟机规范中队本地方法栈设计没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。有的虚拟机（如Sun HotSpot）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

1.4 Java堆

Java堆是被所有现场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，几乎素有的对象实例都在这里分配内存（“几乎”是因为不完全是）。

如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老生代；如果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。无论如何划分，存储的仍都是对象实例，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。

1.5 方法区

方法区（Method Area）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、即时编译器后的代码等数据。可以理解Method Area为Heap的一个逻辑部分。这个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。

1.6 运行时常量池

运行时常量池（Runtimely 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、接口等信息外，还有一项是常量池，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存放到方法区的运行时常量池中。

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并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入运行时常量池，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较多的便是String类的intern方法。

1.7 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，但是这部分内存也可能导致OOME出现。

在JDK1.4 中新加入了NIO类，引入了一种基于通道（Channel）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堆里面的DirectByteBuffer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。

2 对象访问

Java的对象访问涉及到JAVA栈、JAVA堆、方法区这三个最重要的内存区域之间的关联关系。如下面的这句代码

Object obj  = new Object();

假设这句代码出现在方法体重，“Object obj”这部分的语义将会反映到Java栈中的本地变量表中，作为一个reference类型数据出现。而“new Object()”这部分的语义将会反映到Java堆中，形成存储Object类型所有实例数据（Instance Data）。另外，在Java堆中还必须包含能查找此对象的类型数据（如对象类型、父类、方法等Class Data）的地址信息，这些Class Data保存在方法区中。

不同虚拟机实现的队形访问方式有所不同，主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。

 如果使用句柄方式访问，Java堆中将会划分出一块内存作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了Instance Data和Class Data的具体地址信息。

 如果使用直接指针方式访问，Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中直接存储的就是对象地址。

 

这两种对象的访问方式各有优势，通过句柄访问方式的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象呗移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。

使用直接指针访问方式的最大好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。