Java學習——內存機制

摘要：本文主要介紹了Java的內存機制。

部分內容來自以下博客：

https://www.cnblogs.com/xrq730/p/4827590.html

https://www.cnblogs.com/gw811/p/2730117.html

內存區域

Java虛擬機（JVM）內部定義了程序在運行時需要使用到的內存區域。

之所以要划分這么多區域出來是因為這些區域都有自己的用途，以及創建和銷毀的時間。

有些區域隨着虛擬機進程的啟動而存在，有的區域則依賴用戶線程的啟動和結束而銷毀和建立。

圖中綠色部分就是所有線程之間共享的內存區域，而白色部分則是線程運行時獨有的數據區域，從這個分類角度來看一下這幾個數據區。

線程獨有的內存區域

PROGRAM COUNTER REGISTER，程序計數器

程序計數器是一塊較小的內存空間，它的作用可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現），字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。

由於Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來說是一個內核）只會執行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數器，各條線程之間的計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內存區域為“線程私有”的內存。

如果線程正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；如果正在執行的是Natvie方法，這個計數器值則為空（Undefined）。

此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規范中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

JAVA STACK，虛擬機棧

與程序計數器一樣，Java虛擬機棧也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。

虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型，每個方法被執行的時候都會同時創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法被調用直至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

經常有人把Java內存區分為堆內存（Heap）和棧內存（Stack），這種分法比較粗糙，Java內存區域的划分實際上遠比這復雜。這種划分方式的流行只能說明大多數程序員最關注的、與對象內存分配關系最密切的內存區域是這兩塊。其中所指的“堆”在后面會專門講述，而所指的“棧”就是現在講的虛擬機棧，或者說是虛擬機棧中的局部變量表部分。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等同於對象本身，根據不同的虛擬機實現，它可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址）。

其中64位長度的long和double類型的數據會占用2個局部變量空間（Slot），其余的數據類型只占用1個。

局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

在Java虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機棧可以動態擴展（當前大部分的Java虛擬機都可動態擴展，只不過Java虛擬機規范中也允許固定長度的虛擬機棧），當擴展時無法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError異常。

NATIVE METHOD STACK，本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native方法服務。虛擬機規范中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數據結構並沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由實現它。甚至有的虛擬機（譬如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。

與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError異常和OutOfMemoryError異常。

線程間共享的內存區域

HEAP，堆

對於大多數應用來說，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊。

Java堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啟動時創建。此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內存。這一點在Java虛擬機規范中的描述是：所有的對象實例以及數組都要在堆上分配，但是隨着JIT編譯器的發展與逃逸分析技術的逐漸成熟，棧上分配、標量替換優化技術將會導致一些微妙的變化發生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱做“GC堆”（Garbage Collected Heap，幸好國內沒翻譯成“垃圾堆”）。

如果從內存回收的角度看，由於現在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細致一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。

如果從內存分配的角度看，線程共享的Java堆中可能划分出多個線程私有的分配緩沖區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

不過，無論如何划分，都與存放內容無關，無論哪個區域，存儲的都仍然是對象實例，進一步划分的目的是為了更好地回收內存，或者更快地分配內存。

根據Java虛擬機規范的規定，Java堆可以處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中沒有內存完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

METHOD AREA，方法區

方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。雖然Java虛擬機規范把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。

對於習慣在HotSpot虛擬機上開發和部署程序的開發者來說，很多人願意把方法區稱為“永久代”（Permanent Generation），本質上兩者並不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。對於其他虛擬機（如BEA JRockit、IBM J9等）來說是不存在永久代的概念的。即使是HotSpot虛擬機本身，根據官方發布的路線圖信息，現在也有放棄永久代並“搬家”至Native Memory來實現方法區的規划了。

Java虛擬機規范對這個區域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續的內存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，但並非數據進入了方法區就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當苛刻，但是這部分區域的回收確實是有必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出現過的若干個嚴重的BUG就是由於低版本的HotSpot虛擬機對此區域未完全回收而導致內存泄漏。根據Java虛擬機規范的規定，當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

RUNTIME CONSTANT POOL，運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載后存放到方法區的運行時常量池中。

Java虛擬機對Class文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴格的規定，每一個字節用於存儲哪種數據都必須符合規范上的要求，這樣才會被虛擬機認可、裝載和執行。但對於運行時常量池，Java虛擬機規范沒有做任何細節的要求，不同的提供商實現的虛擬機可以按照自己的需要來實現這個內存區域。不過，一般來說，除了保存Class文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常量池中。

運行時常量池相對於Class文件常量池的另外一個重要特征是具備動態性，Java語言並不要求常量一定只能在編譯期產生，也就是並非預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用得比較多的便是String類的intern()方法。

既然運行時常量池是方法區的一部分，自然會受到方法區內存的限制，當常量池無法再申請到內存時會拋出OutOfMemoryError異常。

創建對象

Java是一門面向對象的語言，Java程序運行過程中無時無刻都有對象被創建出來。在語言層面上，創建對象（克隆、反序列化）就是一個new關鍵字而已，但是虛擬機層面上卻不是如此。看一下在虛擬機層面上創建對象的步驟：

1、虛擬機遇到一條new指令，首先去檢查這個指令的參數能否在常量池中定位到一個類的符號引用，並且檢查這個符號引用代表的類是否已經被加載、解析和初始化。如果沒有，那么必須先執行類的初始化過程。

2、類加載檢查通過后，虛擬機為新生對象分配內存。對象所需內存大小在類加載完成后便可以完全確定，為對象分配空間無非就是從Java堆中划分出一塊確定大小的內存而已。這個地方會有兩個問題：

（1）如果內存是規整的，那么虛擬機將采用的是指針碰撞法來為對象分配內存。意思是所有用過的內存在一邊，空閑的內存在另外一邊，中間放着一個指針作為分界點的指示器，分配內存就僅僅是把指針向空閑那邊挪動一段與對象大小相等的距離罷了。如果垃圾收集器選擇的是Serial、ParNew這種基於壓縮算法的，虛擬機采用這種分配方式。

（2）如果內存不是規整的，已使用的內存和未使用的內存相互交錯，那么虛擬機將采用的是空閑列表法來為對象分配內存。意思是虛擬機維護了一個列表，記錄上哪些內存塊是可用的，再分配的時候從列表中找到一塊足夠大的空間划分給對象實例，並更新列表上的內容。如果垃圾收集器選擇的是CMS這種基於標記-清除算法的，虛擬機采用這種分配方式。

另外一個問題及時保證new對象時候的線程安全性。因為可能出現虛擬機正在給對象A分配內存，指針還沒有來得及修改，對象B又同時使用了原來的指針來分配內存的情況。虛擬機采用了CAS（Compare-and-Swap，即比較並替換，是一種實現並發算法時常用到的技術）配上失敗重試的方式保證更新更新操作的原子性和TLAB（Thread Local Allocation Buffer，划分出多個線程私有的分配緩沖區）兩種方式來解決這個問題。

3、內存分配結束，虛擬機將分配到的內存空間都初始化為零值（不包括對象頭）。這一步保證了對象的實例字段在Java代碼中可以不用賦初始值就可以直接使用，程序能訪問到這些字段的數據類型所對應的零值。

4、對對象進行必要的設置，例如這個對象是哪個類的實例、如何才能找到類的元數據信息、對象的哈希碼、對象的GC分代年齡等信息，這些信息存放在對象的對象頭中。

5、執行<init>方法，把對象按照程序員的意願進行初始化，這樣一個真正可用的對象才算完全產生出來。

訪問對象

對象訪問在Java語言中無處不在，是最普通的程序行為，但即使是最簡單的訪問，也會卻涉及Java棧、Java堆、方法區這三個最重要內存區域之間的關聯關系，如下面的這句代碼：

Object obj = new Object();

假設這句代碼出現在方法體中，那“Object obj”這部分的語義將會反映到Java棧的本地變量表中，作為一個reference類型數據出現。而“new Object()”這部分的語義將會反映到Java堆中，形成一塊存儲了Object類型所有實例數據值（Instance Data，對象中各個實例字段的數據）的結構化內存，根據具體類型以及虛擬機實現的對象內存布局（Object Memory Layout）的不同，這塊內存的長度是不固定的。另外，在Java堆中還必須包含能查找到此對象類型數據（如對象類型、父類、實現的接口、方法等）的地址信息，這些類型數據則存儲在方法區中。

由於reference類型在Java虛擬機規范里面只規定了一個指向對象的引用，並沒有定義這個引用應該通過哪種方式去定位，以及訪問到Java堆中的對象的具體位置，因此不同虛擬機實現的對象訪問方式會有所不同，主流的訪問方式有兩種：使用句柄和直接指針。

如果使用句柄訪問方式，Java堆中將會划分出一塊內存來作為句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數據和類型數據各自的具體地址信息。

如果使用的是直接指針訪問方式，Java堆對象的布局中就必須考慮如何放置訪問類型數據的相關信息，reference中直接存儲的就是對象地址。

這兩種對象的訪問方式各有優勢，使用句柄訪問方式的最大好處就是reference中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動（垃圾收集時移動對象是非常普遍的行為）時只會改變句柄中的實例數據指針，而reference本身不需要被修改。使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節省了一次指針定位的時間開銷，由於對象的訪問在Java中非常頻繁，因此這類開銷積少成多后也是一項非常可觀的執行成本。就主要虛擬機Sun HotSpot而言，它是使用第二種方式進行對象訪問的，但從整個軟件開發的范圍來看，各種語言和框架使用句柄來訪問的情況也十分常見。