java的内存区域分析

一.概述：

       Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，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建立和销毁。Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：

1.程序计数器

定义：是一块较小的内存空间，是线程所执行的字节码的行号指示器。

作用：为了线程切换后能恢复到正确的执行位置上（因为java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，所以需要程序计数器去记录执行位置，确保切换后能正确继续执行）。

特点：1.每条线程都需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，属于“线程私有”的内存。

           2.如果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。

           3.如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。

           4.此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。

2.Java虚拟机栈

定义：描述的是Java方法执行的内存模型，每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址（方法出口）等信息（平时常说的栈内存指的是java虚拟机栈的局部变量表）。

作用：为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务；存储局部变量、操作数栈、动态连接、返回地址等信息。

特点：1.Java虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

        2.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。

        3.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.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类型），它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者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）。

        5.操作数栈（Operand Stack）也常称为操作栈，是一个后入先出栈。方法执行中进行算术运算或者是调用其他的方法进行参数传递的时候是通过操作数栈进行的。

        6.每个栈帧都包含一个执行运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接（Dynamic Linking）。

        7.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；

        8.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；

3.本地方法栈

定义：描述的是native方法执行的内存模型。

作用：为虚拟机执行native方法服务。

特点：1.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，因此具体的虚拟机可以自由实现它。

        2.与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4.Java堆

定义：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，是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。

作用：存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

特点：1.Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（Garbage Collected Heap，幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，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空间、To Survivor空间等。如果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，无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，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。

        2.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。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的。

        3.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OutOfMemoryError异常。

5.方法区

定义：方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。

作用：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。

特点：1.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，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。

        2.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。

        3.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种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

二.访问实例：

      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，但即使是最简单的访问，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，如下面的这句代码：

Object obj = new Object();

      假设这句代码出现在方法体中，那“Object obj”这部分的语义将会反映到Java栈的本地变量表中，作为一个reference类型数据出现。而“new Object()”这部分的语义将会反映到Java堆中，形成一块存储了Object类型所有实例数据值（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）的不同，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。

      由于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，并没有定义这个引用应该通过哪种方式去定位，以及访问到Java堆中的对象的具体位置，因此不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同，主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。

1.使用句柄访问方式：

      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实例数据和类型数据各自的具体地址信息，如下图所示：

2.直接指针访问方式：

      如果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，如下图所示：

      这两种对象的访问方式各有优势，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，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。