深入理解JVM - 1 - Java内存区域划分

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。

JVM是一个内存中的虚拟机, Java虚拟机在执行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。

运行时数据区Runtime Data Area

一、程序计数器(Program Counter Register)

1. Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法执行的同时会创建一个栈帧，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。

2. Java虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

3. 程序员主要关注的所谓的“堆和栈”里的“栈”，就是指VM stack 虚拟机栈内存，更细致的讲，就是虚拟机栈中局部变量表部分。
   局部变量表存放了编译时期可知的各种基本数据类型(boolean, byte, char, short, int, float, long, double), 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时期完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈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。

4. Java虚拟机规范对这个区域规定了两种异常情况：

• 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，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常；
  （当前大部分JVM都可以动态扩展，只不过JVM规范也允许固定长度的虚拟机栈）

二、Java虚拟机栈(VM Stack)

1. Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法执行的同时会创建一个栈帧，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。

2. Java虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

3. 程序员主要关注的所谓的“堆和栈”里的“栈”，就是指VM stack 虚拟机栈内存，更细致的讲，就是虚拟机栈中局部变量表部分。
   局部变量表存放了编译时期可知的各种基本数据类型(boolean, byte, char, short, int, float, long, double), 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时期完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈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。

4. Java虚拟机规范对这个区域规定了两种异常情况：

• 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，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常；
  （当前大部分JVM都可以动态扩展，只不过JVM规范也允许固定长度的虚拟机栈）

三、本地方法栈（Native Method Stack）

1. 本地方法栈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方法服务（也就是字节码），而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。

2. Java虚拟机规范对本地方法栈使用的语言、使用方法与数据结构并没有强制规定，因此可以由虚拟机自由实现。例如：HotSpot虚拟机直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

3. 同虚拟机栈相同，Java虚拟机规范对这个区域也规定了两种异常情况StackOverflowError 和 OutOfMemoryError异常。

四、Java堆(Java Heap)

1. Java堆是被所有的线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。
   Java堆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。

2. Java堆是垃圾回收器管理的主要区域，因此也被称为"GC堆"。
   从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆可以细分为：新生代、老生代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。
   从内存分配的角度看，线程共享的Java堆可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocaion Buffer，TLAB）；
   不论如何划分，都与存放的内容无关，无论哪个区域，存储的仍然是对象实例。进一步划分的目的是为了更好地回收内存、或更快的分配内存。

3. 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，就像我们的磁盘空间一样。在实现上，既可以是固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流JVM都是按照可扩展来实现的。

4. Java虚拟机规范规定，如果在堆上没有内存完成实例分配，并且堆上也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5. 内存泄露和内存溢出
   Java堆内存的OOM异常是非常常见的异常情况，重点是根据内存中的对象是否是必要的，来弄清楚到底是出现了内存泄露(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow).

• 内存泄露：指程序中一些对象不会被GC所回收，它始终占用内存，即被分配的对象引用链可达但已无用。（可用内存减少）
• 内存溢出：程序运行过程中无法申请到足够的内存而导致的一种错误。内存溢出通常发生于OLD段或Perm段垃圾回收后，仍然无内存空间容纳新的Java对象的情况。
  内存泄露是内存溢出的一种诱因，不是唯一因素。

五、方法区（Method Area）

1. 方法区也是被所有的线程共享的一块内存区域。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。

2. 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之外，还可以选择不实现垃圾回收。
   这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和类型的卸载，一般而言，这个区域的内存回收比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的内存回收确实是必要的。

3. 对于HotSpot虚拟机来说，把方法区设计成了“永久代”（Permanent Generation）.本质上两者并不等价，仅仅是HotSpot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的垃圾收集器就能像管理java堆一样管理这部分内存，省去专门为这部分开发代码的工作。但是其他虚拟机（如BEA JRockit, IBM J9）等，是不存在永久代的概念的。

4. Java虚拟机规范规定，当方法区无法满足内存分配的需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

5. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）
   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(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。
   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比较多的就是String类的intern()方法。

6. String.intern()
   String.intern()是一个Native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含了一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此字符串的引用。

 public static void main(String[] args) {
    String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
    System.out.println(str1.intern() == str1);

    String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
    System.out.println(str2.intern() == str2);
  }

这段代码在JDK1.6中运行，会得到两个false，而在JDK1.7中运行，会得到一个true和一个false。原因是：

• 在JDK1.6中intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中，返回的也是永久代中这个字符串实例的引用，而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆上，所以必然不是一个引用。
• 在JDK1.7中intern()方法不会复制实例(不会复制首次遇到的字符串实例复制到永久代中)，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，因此str1.intern()返回的引用和由StringBuilder创建的字符串实例是同一个。str2返回false是因为Java这个字符串在执行StringBuilder("ja").append("va").toString()之前已经出现过，字符串常量池中已经有它的引用了，不符合首次出现的原则，而"计算机软件"这个字符串是首次出现的。

六、直接内存（Direct Memory）

1. 直接内存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。由于这部分也频繁的被使用，所以放在一起讲解。
2. JDK1.4 新加入NIO（New Input/Output）类，引入一种基于通道（channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，他可以使用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。这样做能在一些场景里显著提高性能，因为避免了在java堆和native堆中来回复制数据。
3. 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，还是会受到本机总内存大小，以及处理器寻址空间的限制。可能出现OutOfMemoryError错误。