Java内存区域分布

本文是《深入理解Java虚拟机》中第二章的读书总结。

看了几个星期《深入理解Java虚拟机》，觉得有必要将看到的东西记录下来，以便日后看看。

Java是平台无关的语言，也就是说Java代码可以运行在不同的机器上，要实现这种“一次编码，处处运行”的目标，Java使用虚拟机来消除平台多样性。Java相比于C和C++不同的一个地方在于，Java程序员不需要手动回收内存，而C/C++需要使用delete/free代码来手动释放不使用的内存。那么，这里首先介绍一下Java虚拟机的内存区域是如何组织的。

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把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。Java虚拟机中内存的总体分布如图所示：

一共包括方法区、虚拟机栈、本地方法栈、堆、程序计数器等部分。其中，方法区和堆是所有线程共享的内存区域，而虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器是线程私有的内存区域，线程间不共享这部分的数据。

1、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。Java虚拟机的程序计数器和CPU的程序计数器类似，CPU中执行的是机器码，使用程序计数器来指示下一条指令的地址；类似的，在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选定下一条要执行的字节码指令的行号，因为Java代码编译后的Class文件中的字节码指令是一行一行的，这部分的内容会在后面介绍。Java程序的分支、循环、跳转、异常处理和线程恢复等基础功能都需要程序计数器来完成。

由于程序计数器和字节码指令的执行有关，而每个线程都有各自要执行的字节码指令。Java虚拟机的多线程是通过为每个线程轮流分配处理器的使用时间来实现的，同一时刻一个处理器只会执行一条线程中的指令。因此，为了处理器切换线程后能够从正确的地方继续执行，每个线程都应该有自己的程序计数器，这样多线程执行的时候才不会相互影响。即，程序计数器是线程私有的内存。

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；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空。此区域是唯一一个在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

和程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，生命周期与线程相同。在Java虚拟机中，每个方法的执行都会创建一个栈帧（Stack Frame），栈帧用来存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出入口等信息。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中入栈到出栈的信息。

Java每一个线程都会涉及到很多的方法调用，因此每个线程都有自己的虚拟机栈，即线程私有。

栈帧中的局部变量表存放了编译期间可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long和double）、对象引用（Reference类型，不等同于对象本身，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）。

局部变量表中存放数据的基本单元是局部变量空间（Slot），除了64为长度的long和double使用两个slot外，其他所有类型的数据都使用一个slot。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，这个方法所需要的空间大小是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

Java虚拟机规范对Java虚拟机栈规定了两个异常情况：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；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

本地方法栈（Native Method Stack）和虚拟机栈的作用非常相似，区别就是虚拟机栈为虚拟机执行Java代码服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。和虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。同时，本地方法栈也是线程私有的。

4、Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机锁管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块区域，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内存。随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”。从内存回收的角度看，由于现在的垃圾收集器基本采用分代收集算法，所以Java堆还可以分为新生代和老年代；再细致的有Eden空间、From Survivor空间和To Survivor空间等。对于垃圾回收的内容会在后面介绍。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）。不过无论怎么划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的仍都是对象实例。

Java堆可以处理物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。在实现上，堆既可以是大小固定的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（使用-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5、方法区

方法区（Method Area）也是线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量和即时编译器编译后的代码等数据。

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，垃圾收集行为在这个区域是较少出现的，但并非数据进入了方法区就永久存在了。这个区域的内存回收目标主要针对常量池的回收和对类型的卸载。一般来说，由于类型的卸载的条件非常苛刻，所以这部分的垃圾回收成绩不令人满意。当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

6、运行时常量池

运行时常量池（Running 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、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。Java虚拟机规范没有做任何关于此部分的细节要求，一般来说，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备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期间才能产生，也就是并非欲置入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池放入池中。

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，当常量池无法申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

7、直接内存

直接内存（Direct Memory）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，所以也放在这里介绍。

在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场合中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

由于直接使用本机内存，所以当内存不够时也会抛出OutOfMemoryError异常。

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