java总结系列之四(内存)

来源:互联网 发布:网络信息安全培训ppt 编辑:程序博客网 时间:2024/04/29 18:29

运行时的数据区

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程序计数器:

是一块较小的内存空间,他可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来获取下一条的字节码指令,分支,循环,跳转,异常管理,线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
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方式来实现的,在任何的一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此,为了切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要一个独立的程序计数器,各条线程之间技术区互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为:线程私有的内存。
如果线程正在执行的是一个Java方法,这计数器记录的是正在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,这个计数器值则为空(Undefined). 次内存区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

java虚拟机栈

与程序计数器一样,java虚拟机栈也是线程私有的,他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:每个方法在执行的同时都会创建一个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。每一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。
经常有人把java内存区分为堆内存和栈内存,这种分法是比较粗略的,java内存区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就是这两块。其中所指的“堆”笔者在后面会专门讲述,而所指的“栈” 就是现在所讲的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。
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)。对象引用(reference乐行,他不等同与对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他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个局部变量的空间(slot),其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期完成分配,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正确的,在方法运行期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状况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将跑出StackoverflowError异常: 日过虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的java虚拟机都可动态扩展,只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈),如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈(native method stack)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,他们之间的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,而本地方法栈则虚拟机使用到的native方法服务。在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,一次具体的虚拟机可以自由实现他。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。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError 和OutOfMemoryError异常。

java堆

对于大多数应用来说,Java堆(java heap)是java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程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,几乎所有的对象实例都在这里分配,但是随着JIT编译器的发展与逃逸技术逐渐成熟,栈上分配,标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有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,因此很多时候也被称作“GC堆”,从内存回收的角度来看,由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以Java堆中还可以细分为: 新生代和老年代:再细致一点的有Eden空间,From Survivor和To
Survivor空间等。从内存分配的角度来看,线程共享的Java堆种可能划分出多个线程私有的分配缓冲区,不过无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储得到都任然是独享实例,进一步划分的目的是为了更好的回收内存,或者是更快的分配内存。
根据java虚拟机规范的规定,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,不过当前主流的额虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过 -Xmx和-Xms来进行控制)。如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemory异常。

方法区

方法区与Java堆一样,是各个线程共享的内裤承诺区域,它用于存储已被虚拟机加载的类的信息,常量,静态变量,即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范吧方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是他却有一个别名叫做(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,部署程序的开发者来说,很多人都更愿意把方法区称为“永久代”,本质上两者并不等价,仅仅因为Hotspot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区,或者是说使用永久带来实现方法区而已,这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理java堆一样管理这部分内存,能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他的虚拟机来说是不存在永久代的概念的。原则上,如何实现方法区属于虚拟机实现细节,不收虚拟机规范约束,但使用永久代来实现方法区,现在看来并不是一个好主意,因为这样更容易遇到内存的泄露问题(永久代有 -XX:MaxPermSize的上限),而且有极少数的方法(例如String intern())会因为这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。因此对于HotSpot虚拟机,根据官方发布的路线图信息,现在也有放弃永久代并逐步改为采用native Memory来实现方法区的规划了,在目前已经发布的jdk1.7中的HotSpot中,已经把已经把原来放在永久代的字符串常量池移出。
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外,还可以选择不实现垃圾收集。相对而言,垃圾收集行为在这区域是比较少出现的,但并非数据进入了方法区就如永久代一样“永久”存在了。这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,一般来说,这个区域的回收确实是必要的。在sun公司的bug列表中,曾出现过的若干个严重的bug就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄露。根据Java虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,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,等描述信息以外。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,这部分将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。java虚拟机对Class文件每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格规定,每一个直接用于存储那种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可,装载和执行,但对于运行时常量池,java虚拟机规范没有做任何细节的要求,不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现资格内存区域,。不过,一般来说,除了保存Class文件中描述的符号引用,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。运行时常量池现对于Class文件常量池的另外一个重要特征但是具备动态性,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的比较多的便是String类的intern()方法。
既然运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

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,但是这部分内存也被频繁的使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现,所以我们放到这里一起讲解。
在JDK1.4 中新加入了NIO 类,引入了一种基于通道与缓冲区的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zaijava堆中的DirectByteBuffer对象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。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,肯定还是会受到本机总内存(包括RAM以及SWAP区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制,服务器管理员在配置虚拟机参数时,会根据实际内存设置—Xmx等参数信息,但经常忽略直接内存,是的各个内存区域总和大于物理内存限制(包括物理的和操作系统级的限制),从而导致动态扩展是出现OutOfMemoryError异常。

对象的创建

java是一门面向对象的语言,在Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。再语言层面上,创建对象(例如克隆,反序列化)通常仅仅是一个new关键字而已,而在虚拟机中,对象(文中讨论的对象限于普通的java对象,不包括数组和Class对象)的创建又是怎么一个过程呢?
虚拟机在遇到一条new指令的时候,首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池定位到一个累的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载,解析和初始化过。如果没有,那必须先执行相应的过程。在类加载检查通过以后,接下来虚拟机将为新生对象分配内存,对象所需内存的大小在类加载完成以后便可确定下来,为兑现分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存时绝对规整的,所有用过的内存都放在一边,空闲的内存放在另外一边,中间放着一个指针作为分界点的指示器,那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离,这种分配方式称为:“指针碰撞”。如果Java堆中的内存并不是规整的,已使用的内存和空闲的内存相互交错,那就没有办法简单的进行指针碰撞了,虚拟机就必须维护一个列表,记录上哪些内存块是可用的,在分配的时候从列表上找到一块足够大的空间划分给对象实例,并更新列表上的记录,这种分配方式称为“空闲列表”。选择哪种分配方式有Java堆是否规整决定,而Java堆是否规整又有所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此,在使用Serial,ParNew等带有Compact过程的收集器时,系统采用的分配算法是指针碰撞,而使用CMS这种基于Mark-Sweep(标记清除)算法的收集器时,通常采用空闲列表。

对象的访问定位

建立对象是为了使用对象,我们都Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象,由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该同通过何种方式去定位。访问堆中的对象的具体位置,所以对象访问方式也是取决于虚拟机的实现而定的,目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
如果是使用句柄访问的话,那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象示例数据与类型数据各自的具体地址信息。
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图片来自于:http://www.cnblogs.com/wardensky/p/4162121.html
如果是使用直接指针访问,那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何防止访问类型数据的相关信息,而reference中存储的直接就是对象地址。
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图片来自于:http://www.cnblogs.com/wardensky/p/4162121.html
这两种对象访问方式各有优势,使用句柄来访问的最大好处就是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实非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要修改。
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,由于对象的访问在java中非常的频繁,因此这类的开销积少成多也是非常可观的执行成本。本书讨论的主要虚拟机SunHotSpot而言,它是使用第二种范式进行对象访问的,但是从整个软件开发的范围来看,各种语言和框架使用句柄来访问的的情况也十分常见。

一年以后,重新回头去看这本书,感觉印象更加深刻了,作为一个javaer,内存结构的掌握是必须的。

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