Java内存管理

运行时数据区域

1. 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。根据《Java虚拟机规范（第2版）》的规定，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，如下图所示：
   
   
   
   　　　　　　　　　　

程序计数器　　　　　

　　程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、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）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，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，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Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。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。

Java虚拟机栈

　与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它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、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被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从入栈到出栈的过程。
　 经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，Java内存区域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是这两块。其中所指的“堆”在后面会专门讲述，而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。
　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）。
　其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。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，这个方法需要在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。 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，将抛出StackOverflowError异常；如果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），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其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，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。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。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内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，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。在本章中，我们仅仅针对内存区域的作用进行讨论，Java堆中的上述各个区域的分配和回收等细节将会是下一章的主题。
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，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，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。
对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在
永久代的概念的。即使是HotSpot虚拟机本身，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory来实现方法区的规划了。
Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，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比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。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。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漏。 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。 Java虚拟机对Class文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、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要来实现这个内存区域。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文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，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得比较多的便是String类的intern()方法。 既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会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。

对象访问

　　介绍完Java虚拟机的运行时数据区之后，我们就可以来探讨一个问题：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。 如果使用句柄访问方式，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：
　

　　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。就本书讨论的主要虚拟机Sun HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象访问的，但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情况也十分常见。

java程序运行内存实例分析

1. 一个Java文件，只要有main入口方法，我们就认为这是一个Java程序，可以单独编译运行。

2. 无论是普通类型的变量还是引用类型的变量(俗称实例)，都可以作为局部变量，他们都可以出现在栈中。只不过普通类型的变量在栈中直接保存它所对应的值，而引用类型的变量保存的是一个指向堆区的指针，通过这个指针，就可以找到这个实例在堆区对应的对象。因此，普通类型变量只在栈区占用一块内存，而引用类型变量要在栈区和堆区各占一块内存。

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示例：

1. JVM自动寻找main方法，执行第一句代码，创建一个Test类的实例，在栈中分配一块内存，存放一个指向堆区对象的指针110925。
2. 创建一个int型的变量date，由于是基本类型，直接在栈中存放date对应的值9。
3. 创建两个BirthDate类的实例d1、d2，在栈中分别存放了对应的指针指向各自的对象。他们在实例化时调用了有参数的构造方法，因此对象中有自定义初始值。

调用test对象的change1方法，并且以date为参数。JVM读到这段代码时，检测到i是局部变量，因此会把i放在栈中，并且把date的值赋给i。

把1234赋给i。很简单的一步。

change1方法执行完毕，立即释放局部变量i所占用的栈空间。

调用test对象的change2方法，以实例d1为参数。JVM检测到change2方法中的b参数为局部变量，立即加入到栈中，由于是引用类型的变量，所以b中保存的是d1中的指针，此时b和d1指向同一个堆中的对象。在b和d1之间传递是指针。

change2方法中又实例化了一个BirthDate对象，并且赋给b。在内部执行过程是：在堆区new了一个对象，并且把该对象的指针保存在栈中的b对应空间，此时实例b不再指向实例d1所指向的对象，但是实例d1所指向的对象并无变化，这样无法对d1造成任何影响。

change2方法执行完毕，立即释放局部引用变量b所占的栈空间，注意只是释放了栈空间，堆空间要等待自动回收。

调用test实例的change3方法，以实例d2为参数。同理，JVM会在栈中为局部引用变量b分配空间，并且把d2中的指针存放在b中，此时d2和b指向同一个对象。再调用实例b的setDay方法，其实就是调用d2指向的对象的setDay方法。

调用实例b的setDay方法会影响d2，因为二者指向的是同一个对象。

change3方法执行完毕，立即释放局部引用变量b。

以上就是Java程序运行时内存分配的大致情况。其实也没什么，掌握了思想就很简单了。无非就是两种类型的变量：基本类型和引用类型。二者作为局部变量，都放在栈中，基本类型直接在栈中保存值，引用类型只保存一个指向堆区的指针，真正的对象在堆里。作为参数时基本类型就直接传值，引用类型传指针。

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小结：

1. 分清什么是实例什么是对象。Class a= new Class();此时a叫实例，而不能说a是对象。实例在栈中，对象在堆中，操作实例实际上是通过实例的指针间接操作对象。多个实例可以指向同一个对象。
2. 栈中的数据和堆中的数据销毁并不是同步的。方法一旦结束，栈中的局部变量立即销毁，但是堆中对象不一定销毁。因为可能有其他变量也指向了这个对象，直到栈中没有变量指向堆中的对象时，它才销毁，而且还不是马上销毁，要等垃圾回收扫描时才可以被销毁。
3. 以上的栈、堆、代码段、数据段等等都是相对于应用程序而言的。每一个应用程序都对应唯一的一个JVM实例，每一个JVM实例都有自己的内存区域，互不影响。并且这些内存区域是所有线程共享的。这里提到的栈和堆都是整体上的概念，这些堆栈还可以细分。
4. 类的成员变量在不同对象中各不相同，都有自己的存储空间(成员变量在堆中的对象中)。而类的方法却是该类的所有对象共享的，只有一套，对象使用方法的时候方法才被压入栈，方法不使用则不占用内存。
   以上分析只涉及了栈和堆，还有一个非常重要的内存区域：常量池，这个地方往往出现一些莫名其妙的问题。常量池是干嘛的上边已经说明了，也没必要理解多么深刻，只要记住它维护了一个已加载类的常量就可以了。接下来结合一些例子说明常量池的特性。
   预备知识：
   基本类型和基本类型的包装类。基本类型有：byte、short、char、int、long、boolean。基本类型的包装类分别是：Byte、Short、Character、Integer、Long、Boolean。注意区分大小写。二者的区别是：基本类型体现在程序中是普通变量，基本类型的包装类是类，体现在程序中是引用变量。因此二者在内存中的存储位置不同：基本类型存储在栈中，而基本类型包装类存储在堆中。上边提到的这些包装类都实现了常量池技术，另外两种浮点数类型的包装类则没有实现。另外，String类型也实现了常量池技术。

实例：

public class test {      public static void main(String[] args) {              objPoolTest();      }      public static void objPoolTest() {          int i = 40;          int i0 = 40;          Integer i1 = 40;          Integer i2 = 40;          Integer i3 = 0;          Integer i4 = new Integer(40);          Integer i5 = new Integer(40);          Integer i6 = new Integer(0);          Double d1=1.0;          Double d2=1.0;          System.out.println("i=i0\t" + (i == i0));          System.out.println("i1=i2\t" + (i1 == i2));          System.out.println("i1=i2+i3\t" + (i1 == i2 + i3));          System.out.println("i4=i5\t" + (i4 == i5));          System.out.println("i4=i5+i6\t" + (i4 == i5 + i6));              System.out.println("d1=d2\t" + (d1==d2));           System.out.println();              }  }  结果：[plain] view plain copy print?i=i0    true  i1=i2   true  i1=i2+i3        true  i4=i5   false  i4=i5+i6        true  d1=d2   false  

结果分析：
1. i和i0均是普通类型(int)的变量，所以数据直接存储在栈中，而栈有一个很重要的特性：栈中的数据可以共享。当我们定义了int i = 40;，再定义int i0 = 40;这时候会自动检查栈中是否有40这个数据，如果有，i0会直接指向i的40，不会再添加一个新的40。
2. i1和i2均是引用类型，在栈中存储指针，因为Integer是包装类。由于Integer 包装类实现了常量池技术，因此i1、i2的40均是从常量池中获取的，均指向同一个地址，因此i1=12。
3. 很明显这是一个加法运算，Java的数学运算都是在栈中进行的，Java会自动对i1、i2进行拆箱操作转化成整型，因此i1在数值上等于i2+i3。
4. i4和i5 均是引用类型，在栈中存储指针，因为Integer是包装类。但是由于他们各自都是new出来的，因此不再从常量池寻找数据，而是从堆中各自new一个对象，然后各自保存指向对象的指针，所以i4和i5不相等，因为他们所存指针不同，所指向对象不同。
5. 这也是一个加法运算，和3同理。
6. d1和d2均是引用类型，在栈中存储指针，因为Double是包装类。但Double包装类没有实现常量池技术，因此Doubled1=1.0;相当于Double d1=new Double(1.0);，是从堆new一个对象，d2同理。因此d1和d2存放的指针不同，指向的对象不同，所以不相等。

小结：

1. 以上提到的几种基本类型包装类均实现了常量池技术，但他们维护的常量仅仅是【-128至127】这个范围内的常量，如果常量值超过这个范围，就会从堆中创建对象，不再从常量池中取。比如，把上边例子改成Integer i1 = 400; Integer i2 = 400;，很明显超过了127，无法从常量池获取常量，就要从堆中new新的Integer对象，这时i1和i2就不相等了。
2. String类型也实现了常量池技术，但是稍微有点不同。String型是先检测常量池中有没有对应字符串，如果有，则取出来；如果没有，则把当前的添加进去。
   (1) 符号引用，顾名思义，就是一个符号，符号引用被使用的时候，才会解析这个符号。如果熟悉linux或unix系统的，可以把这个符号引用看作一个文件的软链接，当使用这个软连接的时候，才会真正解析它，展开它找到实际的文件。
   对于符号引用，在类加载层面上讨论比较多，源码级别只是一个形式上的讨论。
   当一个类被加载时，该类所用到的别的类的符号引用都会保存在常量池，实际代码执行的时候，首次遇到某个别的类时，JVM会对常量池的该类的符号引用展开，转为直接引用，这样下次再遇到同样的类型时，JVM就不再解析，而直接使用这个已经被解析过的直接引用。

除了上述的类加载过程的符号引用说法，对于源码级别来说，就是依照引用的解析过程来区别代码中某些数据属于符号引用还是直接引用，如，System.out.println("test" +"abc");//这里发生的效果相当于直接引用，而假设某个String s = "abc"; System.out.println("test" + s);//这里的发生的效果相当于符号引用，即把s展开解析，也就相当于s是”abc”的一个符号链接，也就是说在编译的时候，class文件并没有直接展看s，而把这个s看作一个符号，在实际的代码执行时，才会展开这个。

参考：
http://www.cnblogs.com/gw811/archive/2012/10/18/2730117.html
http://m.blog.csdn.net/article/details?id=7651251