你不得不掌握的 JVM 内存管理

Java 引觉得豪的就是它的自动内存管理机制。相比于 C++的手动内存管理、复杂难以理解的指针等，Java 程序写起来就方便的多。
然而这种呼之即来挥之即去的内存申请和释放方式，天然也有它的代价。为了管理这些快速的内存申请释放操做，就必须引入一个池子来延迟这些内存区域的回收操做。
咱们常说的内存回收，就是针对这个池子的操做。咱们把上面说的这个池子，叫做堆，能够暂时把它当作一个总体。

JVM 内存布局

Java 程序的数据结构是很是丰富的。其中的内容，举一些例子：
静态成员变
动态成员变量
区域变量
短小紧凑的对象声明
庞大复杂的内存申请

咱们先看一下 JVM 的内存布局。随着 Java 的发展，内存布局一直在调整之中。好比，Java 8 及以后的版本，完全移除了持久代，而使用 Metaspace 来进行替代。这也表示着 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 等参数调优，已经没有了意义。但大致上，比较重要的内存区域是固定的。

JVM 内存区域划分如图所示，从图中咱们能够看出：

• JVM 堆中的数据是共享的，是占用内存最大的一块区域。
• 能够执行字节码的模块叫做执行引擎。
• 执行引擎在线程切换时怎么恢复？依靠的就是程序计数器。
• JVM 的内存划分与多线程是息息相关的。像咱们程序中运行时用到的栈，以及本地方法栈，它们的维度都是线程。
• 本地内存包含元数据区和一些直接内存。

虚拟机栈

Java 虚拟机栈是基于线程的。哪怕你只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程同样的。

栈里的每条数据，就是栈帧。在每一个 Java 方法被调用的时候，都会建立一个栈帧，并入栈。一旦完成相应的调用，则出栈。全部的栈帧都出栈后，线程也就结束了。每一个栈帧，都包含四个区域：

• 局部变量表
• 操做数栈
• 动态链接
• 返回地址

咱们的应用程序，就是在不断操做这些内存空间中完成的。

本地方法栈是和虚拟机栈很是类似的一个区域，它服务的对象是 native 方法。你甚至能够认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域，这并不影响咱们对 JVM 的了解。

这里有一个比较特殊的数据类型叫做 returnAdress。由于这种类型只存在于字节码层面，因此咱们日常打交道的比较少。对于 JVM 来讲，程序就是存储在方法区的字节码指令，而 returnAddress 类型的值就是指向特定指令内存地址的指针。

• 这里有一个两层的栈。第一层是栈帧，对应着方法；第二层是方法的执行，对应着操做数。注意千万不要搞混了。
• 你能够看到，全部的字节码指令，其实都会抽象成对栈的入栈出栈操做。执行引擎只须要傻瓜式的按顺序执行，就能够保证它的正确性。

程序计数器

既然是线程，就表明它在获取 CPU 时间片上，是不可预知的，须要有一个地方，对线程正在运行的点位进行缓冲记录，以便在获取 CPU 时间片时可以快速恢复。

程序计数器是一块较小的内存空间，它的做用能够看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。这里面存的，就是当前线程执行的进度。下面这张图，可以加深你们对这个过程的理解。

能够看到，程序计数器也是由于线程而产生的，与虚拟机栈配合完成计算操做。程序计数器还存储了当前正在运行的流程，包括正在执行的指令、跳转、分支、循环、异常处理等。

咱们能够看一下程序计数器里面的具体内容。下面这张图，就是使用 javap 命令输出的字节码。你们能够看到在每一个 opcode 前面，都有一个序号。就是图中红框中的偏移地址，你能够认为它们是程序计数器的内容。

堆 

堆是 JVM 上最大的内存区域，咱们申请的几乎全部的对象，都是在这里存储的。咱们常说的垃圾回收，操做的对象就是堆。

堆空间通常是程序启动时，就申请了，可是并不必定会所有使用。

随着对象的频繁建立，堆空间占用的愈来愈多，就须要不按期的对再也不使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫做 GC（Garbage Collection）。

因为对象的大小不一，在长时间运行后，堆空间会被许多细小的碎片占满，形成空间浪费。因此，仅仅销毁对象是不够的，还须要堆空间整理。这个过程很是的复杂。

那一个对象建立的时候，究竟是在堆上分配，仍是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置。

Java 的对象能够分为基本数据类型和普通对象。

对于普通对象来讲，JVM 会首先在堆上建立对象，而后在其余地方使用的实际上是它的引用。好比，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。

对于基本数据类型来讲（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种状况。

咱们上面提到，每一个线程拥有一个虚拟机栈。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其余状况，都是在堆上分配。

注意，像 int[] 数组这样的内容，是在堆上分配的。数组并非基本数据类型。

这就是 JVM 的基本的内存分配策略。而堆是全部线程共享的，若是是多个线程访问，会涉及数据同步问题。

元空间

关于元空间，咱们仍是以一个很是高频的面试题开始：“为何有 Metaspace 区域？它有什么问题？”

说到这里，你应该回想一下类与对象的区别。对象是一个活生生的个体，能够参与到程序的运行中；类更像是一个模版，定义了一系列属性和操做。那么你能够设想一下。咱们前面生成的 A.class，是放在 JVM 的哪一个区域的？

想要问答这个问题，就不得不提下 Java 的历史。在 Java 8 以前，这些类的信息是放在一个叫 Perm 区的内存里面的。更早版本，甚至 String.intern 相关的运行时常量池也放在这里。这个区域有大小限制，很容易形成 JVM 内存溢出，从而形成 JVM 崩溃。

Perm 区在 Java 8 中已经被完全废除，取而代之的是 Metaspace。原来的 Perm 区是在堆上的，如今的元空间是在非堆上的，这是背景。关于它们的对比，能够看下这张图。

而后，元空间的好处也是它的坏处。使用非堆可使用操做系统的内存，JVM 不会再出现方法区的内存溢出；可是，无限制的使用会形成操做系统的死亡。因此，通常也会使用参数 -XX:MaxMetaspaceSize 来控制大小。

方法区，做为一个概念，依然存在。它的物理存储的容器，就是 Metaspace。如今，只须要了解到，这个区域存储的内容，包括：类的信息、常量池、方法数据、方法代码就能够了。

小结

• 咱们常说的字符串常量，存放在哪呢？

因为常量池，在 Java 7 以后，放到了堆中，咱们建立的字符串，将会在堆上分配。

• 堆、非堆、本地内存，有什么关系？

关于它们的关系，咱们能够看一张图。在个人感受里，堆是软绵绵的，松散而有弹性；而非堆是冰冷生硬的，内存很是紧凑。

你们都知道，JVM 在运行时，会从操做系统申请大块的堆内内存，进行数据的存储。可是，堆外内存也就是申请后操做系统剩余的内存，也会有部分受到 JVM 的控制。比较典型的就是一些 native 关键词修饰的方法，以及对内存的申请和处理。

在 Linux 机器上，使用 top 或者 ps 命令，在大多数状况下，可以看到 RSS 段（实际的内存占用），是大于给 JVM 分配的堆内存的。

若是你申请了一台系统内存为 2GB 的主机，可能 JVM 能用的就只有 1GB，这即是一个限制。

总结

JVM 的运行时区域是栈，而存储区域是堆。不少变量，其实在编译期就已经固定了。