Java内存分析

Java内存管理：深刻Java内存区域

　　本文引用自：深刻理解Java虚拟机的第2章内容

　　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。

　　概述：

　　对于从事C和C++程序开发的开发人员来讲，在内存管理领域，他们既是拥有最高权力的皇帝，又是从事最基础工做的劳动人民—既拥有每

一个对象的“全部权”，又担负着每个对象生命开始到终结的维护责任。

　　对于Java程序员来讲，在虚拟机的自动内存管理机制的帮助下，再也不须要为每个new操做去写配对的delete/free代码，并且不容易出现

内存泄漏和内存溢出问题，看起来由虚拟机管理内存一切都很美好。不过，也正是由于Java程序员把内存控制的权力交给了Java虚拟机，一旦

出现内存泄漏和溢出方面的问题，若是不了解虚拟机是怎样使用内存的，那排查错误将会成为一项异常艰难的工做。

 

　　运行时数据区域

　　Java虚拟机在执行Java程序的过程当中会把它所管理的内存划分为若干个不一样的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及建立和销毁的时

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创建和销毁。根据《Java虚拟机规范（第2版）》的规

定，Java虚拟机所管理的内存将会包括如下几个运行时数据区域，以下图所示：

　　　　　　　　　　

 

　　程序计数器　　　　　

　　程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的做用能够看作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（仅是概念模型，各类虚拟机可能会经过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工做时就是经过改变这个计数器的值来选取

下一条须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须要依赖这个计数器来完成。 因为Java虚拟机的多线

程是经过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个肯定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来讲是一个内

核）只会执行一条线程中的指令。所以，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都须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，咱们称这类内存区域为“线程私有”的内存。 若是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；若是正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是惟一一个

在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError状况的区域。

 

　　Java虚拟机栈

　　与程序计数器同样，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：每一个方法被执行的时候都会同时建立一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操做栈、动态连接、方法出口

等信息。每个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

　　常常有人把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”在后面会专门讲述，而所指

的“栈”就是如今讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。

　　局部变量表存放了编译期可知的各类基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用

（reference类型），它不等同于对象自己，根据不一样的虚拟机实现，它多是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个表明对象的

句柄或者其余与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

　　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），其他的数据类型只占用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，这个方法须要在帧中分配多大的局部变量空间是彻底肯定的，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情况：若是线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的深度，将抛出

StackOverflowError异常；若是虚拟机栈能够动态扩展（当前大部分的Java虚拟机均可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也容许固定长度的

虚拟机栈），当扩展时没法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

 

　　本地方法栈

　　本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的做用是很是类似的，其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，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没

有强制规定，所以具体的虚拟机能够自由实现它。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

虚拟机栈同样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

 

　　Java堆

　　对于大多数应用来讲，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被全部线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时建立。此内

存区域的惟一目的就是存放对象实例，几乎全部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：全部的对象实例以及数组都要在堆上分配，

可是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会致使一些微妙的变化发生，全部的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝

对”了。

　　Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，所以不少时候也被称作“GC堆”（Garbage Collected Heap，幸亏国内没翻译成“垃圾堆”）。若是从内存回收的角度看，

因为如今收集器基本都是采用的分代收集算法，因此Java堆中还能够细分为：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。若是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（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过，不管如何划

分，都与存放内容无关，不管哪一个区域，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。在本章中，咱们仅仅针对内存区

域的做用进行讨论，Java堆中的上述各个区域的分配和回收等细节将会是下一章的主题。

　　根据Java虚拟机规范的规定，Java堆能够处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的便可，就像咱们的磁盘空间同样。在实现时，既能够实现成固定

大小的，也能够是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（经过-Xmx和-Xms控制）。若是在堆中没有内存完成实例分配，而且堆也没法再扩展

时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

　　方法区

　　方法区（Method Area）与Java堆同样，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，可是它却有一个别名叫作Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

　　对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来讲，不少人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上二者并不等价，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。对于其余虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来讲是不存在

永久代的概念的。即便是HotSpot虚拟机自己，根据官方发布的路线图信息，如今也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory来实现方法区的规划了。

　　Java虚拟机规范对这个区域的限制很是宽松，除了和Java堆同样不须要连续的内存和能够选择固定大小或者可扩展外，还能够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，但并不是数据进入了方法区就如永久代的名字同样“永久”存在了。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，通常来讲这个区域的回收“成绩”比较难以使人满意，尤为是类型的卸载，条件至关苛刻，可是这部分区域的回收确实是有必要的。在Sun公司的BUG列表中，

　　曾出现过的若干个严重的BUG就是因为低版本的HotSpot虚拟机对此区域未彻底回收而致使内存泄漏。 根据Java虚拟机规范的规定，当方法区没法知足内存分配

需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

 

　　运行时常量池

　　运行时常量池（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、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池

（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各类字面量和符号引用，这部份内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。 Java虚拟机对Class

文件的每一部分（天然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每个字节用于存储哪一种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机承认、装载和执行。但对于

　　运行时常量池，Java虚拟机规范没有作任何细节的要求，不一样的提供商实现的虚拟机能够按照本身的须要来实现这个内存区域。不过，通常来讲，除了保存Class

文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。 运行时常量池相对于Class文件常量池的另一个重要特征是具有动态性，Java语言

并不要求常量必定只能在编译期产生，也就是并不是预置入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

开发人员利用得比较多的即是String类的intern()方法。 既然运行时常量池是方法区的一部分，天然会受到方法区内存的限制，当常量池没法再申请到内存时会抛出

OutOfMemoryError异常。

 

　　对象访问

　　介绍完Java虚拟机的运行时数据区以后，咱们就能够来探讨一个问题：在Java语言中，对象访问是如何进行的？对象访问在Java语言中无处不在，是最普通的程

序行为，但即便是最简单的访问，也会却涉及Java栈、Java堆、方法区这三个最重要内存区域之间的关联关系，以下面的这句代码：

　　　　　　　　　　Object obj = new Object();

假设这句代码出如今方法体中，那“Object obj”这部分的语义将会反映到Java栈的本地变量表中，做为一个reference类型数据出现。而“new Object()”这部分的语

义将会反映到Java堆中，造成一块存储了Object类型全部实例数据值（Instance Data，对象中各个实例字段的数据）的结构化内存，根据具体类型以及虚拟机实现

的对象内存布局（Object Memory Layout）的不一样，这块内存的长度是不固定的。另外，在Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据（如对象类型、父类、实

现的接口、方法等）的地址信息，这些类型数据则存储在方法区中。

　　因为reference类型在Java虚拟机规范里面只规定了一个指向对象的引用，并无定义这个引用应该经过哪一种方式去定位，以及访问到Java堆中的对

象的具体位置，所以不一样虚拟机实现的对象访问方式会有所不一样，主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。 若是使用句柄访问方式，Java堆中将会

划分出一块内存来做为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息，以下图所示：

 

　　　　　　

　　若是使用的是直接指针访问方式，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，以下

图所示：

　　　　　　

　　这两种对象的访问方式各有优点，使用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，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非

常广泛的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference自己不须要被修改。使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针

定位的时间开销，因为对象的访问在Java中很是频繁，所以这类开销聚沙成塔后也是一项很是可观的执行成本。就本书讨论的主要虚拟机Sun HotSpot而

言，它是使用第二种方式进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各类语言和框架使用句柄来访问的状况也十分常见。