深入理解JVM之JVM内存区域与内存分配

前言：这是一篇关于JVM内存区域的文章，由网上一些有关这方面的文章和《深入理解Java虚拟机》整理而来，所以会有些类同的地方，也不能保证我自己写的比其他网上的和书本上的要好，也不可能会这样。写博客的目的是为了个人对这方面自己理解的分享与个人的积累，所以有写错的地方多多指教。

看到深入两字，相信很多的JAVA初学者都会直接忽略这样的文章，其实关于JVM内存区域的知识对于初学者来说其实是很重要的，了解Java内存分配的原理，这对于以后JAVA的学习会有更深刻的理解，这是我个人的看法。

先来看看JVM运行时候的内存区域

大多数 JVM 将内存区域划分为 Method Area（Non-Heap）（方法区） , Heap（堆） , Program Counter Register（程序计数器） ,   VM Stack（虚拟机栈，也有翻译成JAVA 方法栈的）,Native Method Stack  （ 本地方法栈 ），其中 Method Area 和 Heap 是线程共享的 ，VM Stack，Native Method Stack  和 Program Counter Register 是非线程共享的。为什么分为 线程共享和非线程共享的呢?请继续往下看。

首先我们熟悉一下一个一般性的 Java 程序的工作过程。一个 Java 源程序文件，会被编译为字节码文件（以 class 为扩展名），每个java程序都需要运行在自己的JVM上，然后告知 JVM 程序的运行入口，再被 JVM 通过字节码解释器加载运行。那么程序开始运行后，都是如何涉及到各内存区域的呢？

概括地说来，JVM初始运行的时候都会分配好 Method Area（方法区） 和 Heap（堆） ，而JVM 每遇到一个线程，就为其分配一个 Program Counter Register（程序计数器） ,   VM Stack（虚拟机栈）和Native Method Stack  （本地方法栈）， 当线程终止时，三者（虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器）所占用的内存空间也会被释放掉。这也是为什么我把内存区域分为线程共享和非线程共享的原因，非线程共享的那三个区域的生命周期与所属线程相同，而线程共享的区域与JAVA程序运行的生命周期相同，所以这也是系统垃圾回收的场所只发生在线程共享的区域（实际上对大部分虚拟机来说知发生在Heap上）的原因。

1. 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存区域，作用可以看做是当前线程执行的字节码的位置指示器。分支、循环、跳转、异常处理和线程恢复等基础功能都需要依赖这个计算器来完成，不多说。

2.VM Strack

先来了解下JAVA指令的构成：

JAVA指令由   操作码  （方法本身）和   操作数   （方法内部变量）  组成。

1）方法本身是指令的 操作码 部分，保存在Stack中；

2）方法内部变量（局部变量）作为指令的 操作数 部分，跟在指令的操作码之后，保存在Stack中（实际上是简单类型（int,byte,short 等）保存在Stack中，对象类型在Stack中保存地址，在Heap 中保存值）；

虚拟机 栈也叫栈内存，是在线程创建时创建，它的 生命期是跟随线程的生命 期 ，线程结束栈内存也就释放， 对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束，该栈就 Over，所以不存在垃圾回收 。 也有一些资料翻译成JAVA方法栈，大概是因为它所描述的是java方法执行的内存模型，每个方法执行的同时创建帧栈（Strack Frame）用于存储局部变量表（包含了对应的方法参数和局部变量），操作栈（Operand Stack，记录出栈、入栈的操作），动态链接、方法出口等信息，每个方法被调用直到执行完毕的过程，对应这帧栈在虚拟机栈的入栈和出栈的过程。

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）、对象的引用（reference类型，不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是一个代表对象的句柄或者其他与对象相关的位置）和 returnAdress类型（指向下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，在方法在运行之前，该局部变量表所需要的内存空间是固定的，运行期间也不会改变。

栈帧是一个内存区块，是一个数据集， 是 一个有关方法(Method)和运行期数据的数据集 ，当一个方法 A 被调用时就产生了一个栈帧 F1，并 被压入到栈中，A 方法又调用了 B 方法，于是产生栈帧 F2 也被压入栈，执行完毕后，先弹出 F2 栈帧，再弹出 F1 栈帧，遵循“ 先进后出 ”原则。 光说比较枯燥，我们看一个图来理解一下 Java 栈，如下图所示：

 3.Heap

Heap（堆）是JVM的内存数据区。Heap 的管理很复杂，是被所有线程共享的内存区域，在JVM启动时候创建，专门用来保存对象的实例。在Heap 中分配一定的内存来保存对象实例，实际上也只是保存对象实例的属性值，属性的类型和对象本身的类型标记等，并不保存对象的方法（以帧栈的形式保存在Stack中）,在Heap 中分配一定的内存保存对象实例。而对象实例在Heap 中分配好以后，需要在Stack中保存一个4字节的Heap 内存地址，用来定位该对象实例在Heap 中的位置，便于找到该对象实例，是垃圾回收的主要场所。java堆处于物理不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可。

4.Method Area

Object Class Data(加载类的类定义数据)  是存储在方法区的。除此之外， 常量 、 静态变量 、JIT(即时编译器)编译后的代码也都在方法区。正因为方法区所存储的数据与堆有一种类比关系，所以它还被称为 Non-Heap。方法区也可以是内存不连续的区域组成的，并且可设置为固定大小，也可以设置为可扩展的，这点与堆一样。

垃圾回收在这个区域会比较少出现，这个区域内存回收的目的主要针对常量池的回收和类的卸载。

5.运行时常量池（Runtime Constant Pool）

方法区内部有一个非常重要的区域，叫做 运行时常量池（Runtime Constant Pool，简称 RCP） 。在字节码文件（Class文件）中，除了有类的版本、字段、方法、接口等先关信息描述外，还有常量池（Constant Pool Table）信息，用于存储编译器产生的字面量和符号引用。这部分内容在类被加载后，都会存储到方法区中的RCP。值得注意的是，运行时产生的新常量也可以被放入常量池中，比如 String 类中的 intern() 方法产生的常量。

常量池就是这个类型用到的常量的一个有序集合。包括 直接常量(基本类型，String) 和 对其他类型、方法、字段的符号引用.例如：

◆类和接口的全限定名；

◆字段的名称和描述符；

◆方法和名称和描述符。

池中的数据和数组一样通过索引访问。由于常量池包含了一个类型所有的对其他类型、方法、字段的符号引用，所以常量池在Java的动态链接中起了核心作用.

很有用且重要关于常量池的扩展：Java常量池详解 http://www.cnblogs.com/DreamSea/archive/2011/11/20/2256396.html

6.Native Method Stack

与VM Strack相似，VM Strack为JVM提供执行JAVA方法的服务，Native Method Stack则为JVM提供使用native 方法的服务。

7.直接内存区

直接内存区并不是 JVM 管理的内存区域的一部分，而是其之外的。该区域也会在 Java 开发中使用到，并且存在导致内存溢出的隐患。如果你对 NIO 有所了解，可能会知道 NIO 是可以使用 Native Methods 来使用直接内存区的。

小结：

• 在此，你对JVM的内存区域有了一定的理解，JVM内存区域可以分为线程共享和非线程共享两部分，线程共享的有堆和方法区，非线程共享的有虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器。

8.JVM运行原理 例子

以上都是纯理论，我们举个例子来说明 JVM 的运行原理，我们来写一个简单的类，代码如下：

 1 public class JVMShowcase {  
 2 //静态类常量, 
 3 public final static String ClASS_CONST = "I'm a Const";  
 4 //私有实例变量 
 5 private int instanceVar=15;  
 6 public static void main(String[] args) {  
 7 //调用静态方法 
 8 runStaticMethod();  
 9 //调用非静态方法 
10 JVMShowcase showcase=new JVMShowcase();  
11 showcase.runNonStaticMethod(100);  
12 }  
13 //常规静态方法 
14 public static String runStaticMethod(){  
15 return ClASS_CONST;  
16 }  
17 //非静态方法 
18 public int runNonStaticMethod(int parameter){  
19 int methodVar=this.instanceVar * parameter;  
20 return methodVar;  
21 }  
22 }

这个类没有任何意义，不用猜测这个类是做什么用，只是写一个比较典型的类，然后我们来看

看 JVM 是如何运行的，也就是输入 java JVMShow 后，我们来看 JVM 是如何处理的：

 第 1 步  、 向操作系统申请空闲内存。 JVM 对操作系统说“给我 64M（随便模拟数据，并不是真实数据） 空闲内存”，于是，JVM 向操作系统申请空闲内存作系统就查找自己的内存分配表，找了段 64M 的内存写上“Java 占用”标签，然后把内存段的起始地址和终止地址给 JVM，JVM 准备加载类文件。

 第 2 步， 分配内存内存。 JVM 分配内存。JVM 获得到 64M 内存，就开始得瑟了，首先给 heap 分个内存，然后给栈内存也分配好。

     第 3 步， 文件检查和分析class 文件。 若发现有错误即返回错误。

 第 4 步， 加载类。 加载类。由于没有指定加载器，JVM 默认使用 bootstrap 加载器，就把 rt.jar 下的所有类都加载到了堆类存的Method Area，JVMShow 也被加载到内存中。我们来看看Method Area区域，如下图：（ 这时候包含了 main 方法和 runStaticMethod方法的符号引用，因为它们都是静态方法，在类加载的时候就会加载 ）

Heap 是空，Stack 是空，因为还没有对象的新建和线程被执行。

第 5 步、 执行方法。 执行 main 方法。执行启动一个线程，开始执行 main 方法，在 main 执行完毕前，方法区如下图所示：

（ public final static String ClASS_CONST = "I'm a Const";   ）

在 Method Area 加入了 CLASS_CONST 常量，它是在第一次被访问时产生的（runStaticMethod方法内部）。

堆内存中有两个对象 object 和 showcase 对象，如下图所示：（执行了JVMShowcase showcase=new JVMShowcase();  ）

为什么会有 Object 对象呢？是因为它是 JVMShowcase 的父类， JVM 是先初始化父类 ，然后再初始化子类，甭管有多少个父类都初始化。

在栈内存中有三个栈帧，如下图所示：

于此同时，还创建了一个程序计数器指向下一条要执行的语句。

第 6 步， 释放内存。释放内存。运行结束，JVM 向操作系统发送消息，说“内存用完了，我还给你”，运行结束。

--------------------------------------------------------------------------------------------

现在来看JVM内存是如何分配的，该部分转载来自 http://blog.csdn.net/shimiso/article/details/8595564

预备知识：

1. 一个Java文件，只要有main入口方法，我们就认为这是一个Java程序，可以单独编译运行。

2. 无论是普通类型的变量还是引用类型的变量(俗称实例)，都可以作为局部变量，他们都可以出现在栈中。只不过普通类型的变量在栈中直接保存它所对应的值，而引用类型的变量保存的是一个指向堆区的指针，通过这个指针，就可以找到这个实例在堆区对应的对象。因此，普通类型变量只在栈区占用一块内存，而引用类型变量要在栈区和堆区各占一块内存。

示例：（以下所有实例中，是根据需要对于栈内存中的帧栈简化成了只有局部变量表，实际上由上面对帧栈的介绍知道不仅仅只有这些信息，同理堆内存也一样）

1. JVM自动寻找main方法，执行第一句代码，创建一个Test类的实例，在栈中分配一块内存，存放一个指向堆区对象的指针110925。

2. 创建一个int型的变量date，由于是基本类型，直接在栈中存放date对应的值9。

3. 创建两个BirthDate类的实例d1、d2，在栈中分别存放了对应的指针指向各自的对象。他们在实例化时调用了有参数的构造方法，因此对象中有自定义初始值。

调用test对象的change1方法，并且以date为参数。JVM读到这段代码时，检测到i是局部变量，因此会把i放在栈中，并且把date的值赋给i。

把1234赋给i。很简单的一步。

change1方法执行完毕，立即释放局部变量i所占用的栈空间。

调用test对象的change2方法，以实例d1为参数。JVM检测到change2方法中的b参数为局部变量，立即加入到栈中，由于是引用类型的变量，所以b中保存的是d1中的指针，此时b和d1指向同一个堆中的对象。在b和d1之间传递是指针。

change2方法中又实例化了一个BirthDate对象，并且赋给b。在内部执行过程是：在堆区new了一个对象，并且把该对象的指针保存在栈中的b对应空间，此时实例b不再指向实例d1所指向的对象，但是实例d1所指向的对象并无变化，这样无法对d1造成任何影响。

change2方法执行完毕，立即释放局部引用变量b所占的栈空间，注意只是释放了栈空间，堆空间要等待自动回收。

调用test实例的change3方法，以实例d2为参数。同理，JVM会在栈中为局部引用变量b分配空间，并且把d2中的指针存放在b中，此时d2和b指向同一个对象。再调用实例b的setDay方法，其实就是调用d2指向的对象的setDay方法。

调用实例b的setDay方法会影响d2，因为二者指向的是同一个对象。

change3方法执行完毕，立即释放局部引用变量b。

以上就是Java程序运行时内存分配的大致情况。其实也没什么，掌握了思想就很简单了。无非就是两种类型的变量：基本类型和引用类型。二者作为局部变量，都放在栈中，基本类型直接在栈中保存值，引用类型只保存一个指向堆区的指针，真正的对象在堆里。作为参数时基本类型就直接传值，引用类型传指针。

小结：

1. 分清什么是实例什么是对象。Class a= new Class();此时a叫实例，而不能说a是对象。实例在栈中，对象在堆中，操作实例实际上是通过实例的指针间接操作对象。多个实例可以指向同一个对象。

2. 栈中的数据和堆中的数据销毁并不是同步的。方法一旦结束，栈中的局部变量立即销毁，但是堆中对象不一定销毁。因为可能有其他变量也指向了这个对象，直到栈中没有变量指向堆中的对象时，它才销毁，而且还不是马上销毁，要等垃圾回收扫描时才可以被销毁。

3. 以上的栈、堆、代码段、数据段等等都是相对于应用程序而言的。每一个应用程序都对应唯一的一个JVM实例，每一个JVM实例都有自己的内存区域，互不影响。并且这些内存区域是所有线程共享的。这里提到的栈和堆都是整体上的概念，这些堆栈还可以细分。

4. 类的成员变量在不同对象中各不相同，都有自己的存储空间(成员变量在堆中的对象中)。而类的方法却是该类的所有对象共享的，只有一套，对象使用方法的时候方法才被压入栈，方法不使用则不占用内存。