Java内存管理第二篇 - 内存的分配

       Java内存管理无非就是对内存进行分配和释放。对于分配来说，基本类型和对象的引用存储到栈中，常量存储到常量池中，对象存储到堆上，这是一般的分配。而对于回收来说要复杂的多，如果回收不好，还可能造成分配出去的内存得不到回收而造成内存泄漏。

    这一篇将简单介绍一下Java内存的分配，下一篇将介绍内存的回收及内存泄漏等知识。

1、JVM内存模型

1、程序计数器（Program Counter Register）：

    

   程序计数器是一个比较小的内存区域，用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以它是线程私有的。　　

　　如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是一个本地（native，由C语言编写完成）方法，则计数器的值为Undefined，由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。

2、虚拟机栈（JVM Stack）：

    

   一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧（Statck Frame），栈帧中存储的有局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等，当方法被调用时，栈帧在JVM栈中入栈，当方法执行完成时，栈帧出栈。

　　局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。在局部变量表中，只有long和double类型会占用2个局部变量空间（Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit），其它都是1个Slot。需要注意的是，局部变量表是在编译时就已经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。

　　虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError（栈溢出）；不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出OutOfMemoryError（内存溢出）。

　　每个线程对应着一个虚拟机栈，因此虚拟机栈也是线程私有的。  

3、本地方法栈（Native Method Statck）：

    

    本地方法栈在作用，运行机制，异常类型等方面都与虚拟机栈相同，唯一的区别是：虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。

　　本地方法栈也是线程私有的。

4、堆区（Heap）：

    

    堆区是理解Java GC机制最重要的区域，没有之一。在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是Java GC机制所管理的主要内存区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区的存在是为了存储对象实例，原则上讲，所有的对象都在堆区上分配内存（不过现代技术里，也不是这么绝对的，也有栈上直接分配的）。

　　一般的，根据Java虚拟机规范规定，堆内存需要在逻辑上是连续的（在物理上不需要），在实现时，可以是固定大小的，也可以是可扩展的，目前主流的虚拟机都是可扩展的。如果在执行垃圾回收之后，仍没有足够的内存分配，也不能再扩展，将会抛出OutOfMemoryError:Java heap space异常。

5、方法区（Method Area）：

    

    在Java虚拟机规范中，将方法区作为堆的一个逻辑部分来对待，但事实上，方法区并不是堆（Non-Heap）；另外，不少人的博客中，将Java GC的分代收集机制分为3个代：青年代，老年代，永久代，这些作者将方法区定义为“永久代”，这是因为，对于之前的HotSpot Java虚拟机的实现方式中，将分代收集的思想扩展到了方法区，并将方法区设计成了永久代。不过，除HotSpot之外的多数虚拟机，并不将方法区当做永久代，HotSpot本身，也计划取消永久代。本文中，由于笔者主要使用Oracle JDK6.0，因此仍将使用永久代一词。

　　方法区是各个线程共享的区域，用于存储已经被虚拟机加载的类信息（即加载类时需要加载的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。

　　方法区在物理上也不需要是连续的，可以选择固定大小或可扩展大小，并且方法区比堆还多了一个限制：可以选择是否执行垃圾收集。一般的，方法区上执行的垃圾收集是很少的，这也是方法区被称为永久代的原因之一（HotSpot），但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是针对常量池的内存回收和对已加载类的卸载。

　　在方法区上进行垃圾收集，条件苛刻而且相当困难，效果也不令人满意，所以一般不做太多考虑，可以留作以后进一步深入研究时使用。

　　在方法区上定义了OutOfMemoryError:PermGen space异常，在内存不足时抛出。

　　运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译期就生成的字面常量、符号引用、翻译出来的直接引用（符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置，直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址，将在类链接阶段完成翻译）；运行时常量池除了存储编译期常量外，也可以存储在运行时间产生的常量（比如String类的intern()方法，作用是String维护了一个常量池，如果调用的字符“abc”已经在常量池中，则返回池中的字符串地址，否则，新建一个常量加入池中，并返回地址）。

6、直接内存（Direct Memory）：

    

    直接内存并不是JVM管理的内存，可以这样理解，直接内存，就是JVM以外的机器内存，比如，你有4G的内存，JVM占用了1G，则其余的3G就是直接内存，JDK中有一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的内存分配方式，将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中，用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用。由于直接内存收到本机器内存的限制，所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。

2、数据在内存中的分配

1、基本类型及包装类型

       

        基本类型都存储在栈内，这样可以提高程序执行的效率。但是需要注意基本类型的包装类型。包装类型是一个对象，所以属于引用类型，存储在堆中。其所需要的存储空间大小至少是12byte（声明一个空Object至少需要的空间），而且12byte没有包含任何有效信息，同时，因为Java对象大小是8的整数倍，因此一个基本类型包装类的大小至少是16byte。这个内存占用是很恐怖的，它是使用基本类型的N倍（N>2），有些类型的内存占用更是夸张。因此，可能的话应尽量少使用包装类。在JDK5.0以后，因为加入了自动类型装换，因此，Java虚拟机会在存储方面进行相应的优化。

2、引用类型 

     

       基本数据的类型的大小是固定的，对于非基本类型的Java对象，需要经过计算得知。 在Java中，一个空Object对象的大小是8byte，这个大小只是保存堆中一个没有任何属性的对象的大小。如

Object ob = new Object();

      这样在程序中完成了一个Java对象的生命，但是它所占的空间为：4byte+8byte。4byte是上面部分所说的Java栈中保存引用的所需要的空间。而那8byte则是Java堆中对象的信息。因为所有的Java非基本类型的对象都需要默认继承Object对象，因此不论什么样的Java对象，其大小都必须是大于8byte。

Class NewObject {      int count;      boolean flag;      Object ob;}   

    其大小为：空对象大小(8byte)+int大小(4byte)+Boolean大小(1byte)+空Object引用的大小(4byte)=17byte。但是因为Java在对对象内存分配时都是以8的整数倍来分，因此大于17byte的最接近8的整数倍的是24，因此此对象的大小为24byte。       

接下来看一下Java的引用类型访问。一般来说，一个Java的引用访问涉及到3个内存区域：虚拟机栈，堆，方法区：

• Object obj表示一个本地引用，存储在JVM栈的本地变量表中，表示一个reference类型数据,值为null,空对象不不能使用，因为它没有任何的引用实体。
• new Object()作为实例对象数据存储在堆中，，在堆内存中为类的成员变量分配内存，并将其初始化为各数据类型的默认值；接着进行显式初始化；最后调用构造方法，为成员变量赋值。返回堆内存中对象的引用（相当于首地址）给引用变量obj,以后就可以通过obj来引用堆内存中的对象了。
• 堆中还记录了Object类的类型信息（接口、方法、field、对象类型等）的地址，这些地址所执行的数据存储在方法区中；

在Java虚拟机规范中，对于通过reference类型引用访问具体对象的方式并未做规定，目前主流的实现方式主要有两种：

1、通过句柄访问（图来自于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》）：

       

通过句柄访问的实现方式中，JVM堆中会专门有一块区域用来作为句柄池，存储相关句柄所执行的实例数据地址（包括在堆中地址和在方法区中的地址）。这种实现方法由于用句柄表示地址，因此十分稳定。

2、通过直接指针访问：（图来自于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》）

 通过直接指针访问的方式中，reference中存储的就是对象在堆中的实际地址，在堆中存储的对象信息中包含了在方法区中的相应类型数据。这种方法最大的优势是速度快，在HotSpot虚拟机中用的就是这种方式。

   接下来看一下实际中最常用的数组的存储。在栈内存中创建一个数组引用，通过该引用（即数组名）来引用数组。x=new int[3]；将在堆内存中分配3个保存 int型数据的空间，堆内存的首地址放到栈内存中，每个数组元素被初始化为0。        

3、静态变量

    

    其实在引用类型中最为特殊的就是加static关键字的全局变量。存储在线程可以共享的方法区中，这个区中包含所有的class和static变量，在整个程序中永远唯一的元素。所以如果某一处修改了static变量，则其它地方的引用将全部受到修改的影响。

4、特殊的String字符串

String是一个特殊的包装类数据。可以用以下两种方式创建：

String str = new String("abc");String str = "abc";

第一种创建方式，和普通对象的的创建过程一样；
第二种创建方式，java内部将此语句转化为以下几个步骤：

1. (1)先定义一个名为str的对String类的对象引用变量：String str；
2. (2)在栈中查找有没有存放值为"abc"的地址，如果没有，则开辟一个存放字面值为"abc"地址，接着创建一个新的String类的对象o，并将o的字符串值指向这个地址，而且在栈这个地 址旁边记下这个引用的对象o。如果已经有了值为"abc"的地址，则查找对象o，并回o的地址。
3. (3)将str指向对象o的地址。

值得注意的是，一般String类中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；这种合下，其字符串值却是保存了一个指向存在栈中数据的引用。
为了更好地说明这个问题，我们可以通过以下的几个代码进行验证。

String str1="abc";
String str2="abc";
System.out.println(s1==s2)；//true

注意，这里并不用 str1.equals(str2);的方式，因为这将比较两个字符串的值是否相等。==号，根据JDK的说明，只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。而我们在这里要看的是，str1与str2是否都指向了同一个对象。
我们再接着看以下的代码。

String str1= new String("abc");
String str2= "abc";
System.out.println(str1==str2); //false

创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。
以上两段代码说明，只要是用new()来新建对象的，都会在堆中创建，而且其字符串是单独存值的，即使与栈中的数据相同，也不会与栈中的数据共享。

如果想了解更多的关于字符串的知识，请参见本人其他的博客。