Java內(nèi)存區(qū)域

概述

對于 Java 程序員來說，在虛擬機自動內(nèi)存管理機制下，不再需要像 C/C++程序開發(fā)程序員這樣為每一個 new 操作去寫對應(yīng)的 delete/free 操作，不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問題。正是因為 Java 程序員把內(nèi)存控制權(quán)利交給 Java 虛擬機，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和溢出方面的問題，如果不了解虛擬機是怎樣使用內(nèi)存的，那么排查錯誤將會是一個非常艱巨的任務(wù)。

運行時數(shù)據(jù)區(qū)域

Java 虛擬機在執(zhí)行 Java 程序的過程中會把它管理的內(nèi)存劃分成若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。

線程私有的：

程序計數(shù)器

虛擬機棧

本地方法棧

線程共享的：

堆

方法區(qū)

直接內(nèi)存 (非運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分)

程序計數(shù)器

程序計數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。

字節(jié)碼解釋器工作時通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。

為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器，各線程之間計數(shù)器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域為“線程私有”的內(nèi)存。

程序計數(shù)器主要有兩個作用：

字節(jié)碼解釋器通過改變程序計數(shù)器來依次讀取指令，從而實現(xiàn)代碼的流程控制，如：順序執(zhí)行、選擇、循環(huán)、異常處理。

在多線程的情況下，程序計數(shù)器用于記錄當(dāng)前線程執(zhí)行的位置，從而當(dāng)線程被切換回來的時候能夠知道該線程上次運行到哪兒了。

注意：程序計數(shù)器是唯一一個不會出現(xiàn) OutOfMemoryError 的內(nèi)存區(qū)域，它的生命周期隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，隨著線程的結(jié)束而死亡。

Java 虛擬機棧

Java 虛擬機棧也是線程私有的，它的生命周期和線程相同，描述的是 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每次方法調(diào)用的數(shù)據(jù)都是通過棧傳遞的。

Java 內(nèi)存可以粗糙的區(qū)分為堆內(nèi)存（Heap）和棧內(nèi)存 (Stack),其中棧就是現(xiàn)在說的虛擬機棧，或者說是虛擬機棧中局部變量表部分。?（實際上，Java 虛擬機棧是由一個個棧幀組成，而每個棧幀中都擁有：局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口信息。）

局部變量表主要存放了編譯器可知的各種數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference 類型，它不同于對象本身，可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔槪部赡苁侵赶蛞粋€代表對象的句柄或其他與此對象相關(guān)的位置）。

Java 虛擬機棧會出現(xiàn)兩種異常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

StackOverFlowError：?若 Java 虛擬機棧的內(nèi)存大小不允許動態(tài)擴展，那么當(dāng)線程請求棧的深度超過當(dāng)前 Java 虛擬機棧的最大深度的時候，就拋出 StackOverFlowError 異常。

OutOfMemoryError：?若 Java 虛擬機棧的內(nèi)存大小允許動態(tài)擴展，且當(dāng)線程請求棧時內(nèi)存用完了，無法再動態(tài)擴展了，此時拋出 OutOfMemoryError 異常。

Java 虛擬機棧也是線程私有的，每個線程都有各自的 Java 虛擬機棧，而且隨著線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，隨著線程的死亡而死亡。

方法/函數(shù)如何調(diào)用？

Java 棧可用類比數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中棧，Java 棧中保存的主要內(nèi)容是棧幀，每一次函數(shù)調(diào)用都會有一個對應(yīng)的棧幀被壓入 Java 棧，每一個函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，都會有一個棧幀被彈出。

Java 方法有兩種返回方式：

return 語句。

拋出異常。

不管哪種返回方式都會導(dǎo)致棧幀被彈出。

本地方法棧

和虛擬機棧所發(fā)揮的作用非常相似，區(qū)別是：?虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行 Java 方法 （也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機使用到的 Native 方法服務(wù)。?在 HotSpot 虛擬機中和 Java 虛擬機棧合二為一。

本地方法被執(zhí)行的時候，在本地方法棧也會創(chuàng)建一個棧幀，用于存放該本地方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、出口信息。

方法執(zhí)行完畢后相應(yīng)的棧幀也會出棧并釋放內(nèi)存空間，也會出現(xiàn) StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 兩種異常。

堆

Java 虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊，Java 堆是所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例以及數(shù)組都在這里分配內(nèi)存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此也被稱作GC 堆（Garbage Collected Heap）.從垃圾回收的角度，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆還可以細(xì)分為：新生代和老年代：再細(xì)致一點有：Eden 空間、From Survivor、To Survivor 空間等。進(jìn)一步劃分的目的是更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。

上圖所示的 eden 區(qū)、s0 區(qū)、s1 區(qū)都屬于新生代，tentired 區(qū)屬于老年代。大部分情況，對象都會首先在 Eden 區(qū)域分配，在一次新生代垃圾回收后，如果對象還存活，則會進(jìn)入 s0 或者 s1，并且對象的年齡還會加 1(Eden 區(qū)->Survivor 區(qū)后對象的初始年齡變?yōu)?1)，當(dāng)它的年齡增加到一定程度（默認(rèn)為 15 歲），就會被晉升到老年代中。對象晉升到老年代的年齡閾值，可以通過參數(shù)?-XX:MaxTenuringThreshold?來設(shè)置。

方法區(qū)

方法區(qū)與 Java 堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然 Java 虛擬機規(guī)范把方法區(qū)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(yīng)該是與 Java 堆區(qū)分開來。

方法區(qū)也被稱為永久代。很多人都會分不清方法區(qū)和永久代的關(guān)系，為此我也查閱了文獻(xiàn)。

方法區(qū)和永久代的關(guān)系

《Java 虛擬機規(guī)范》只是規(guī)定了有方法區(qū)這么個概念和它的作用，并沒有規(guī)定如何去實現(xiàn)它。那么，在不同的 JVM 上方法區(qū)的實現(xiàn)肯定是不同的了。?方法區(qū)和永久代的關(guān)系很像 Java 中接口和類的關(guān)系，類實現(xiàn)了接口，而永久代就是 HotSpot 虛擬機對虛擬機規(guī)范中方法區(qū)的一種實現(xiàn)方式。?也就是說，永久代是 HotSpot 的概念，方法區(qū)是 Java 虛擬機規(guī)范中的定義，是一種規(guī)范，而永久代是一種實現(xiàn)，一個是標(biāo)準(zhǔn)一個是實現(xiàn)，其他的虛擬機實現(xiàn)并沒有永久代這一說法。

常用參數(shù)

JDK 1.8 之前永久代還沒被徹底移除的時候通常通過下面這些參數(shù)來調(diào)節(jié)方法區(qū)大小

-XX:PermSize=N //方法區(qū) (永久代) 初始大小

-XX:MaxPermSize=N //方法區(qū) (永久代) 最大大小,超過這個值將會拋出 OutOfMemoryError 異常:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

相對而言，垃圾收集行為在這個區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入方法區(qū)后就“永久存在”了。

JDK 1.8 的時候，方法區(qū)（HotSpot 的永久代）被徹底移除了（JDK1.7 就已經(jīng)開始了），取而代之是元空間，元空間使用的是直接內(nèi)存。

下面是一些常用參數(shù)：

-XX:MetaspaceSize=N //設(shè)置 Metaspace 的初始（和最小大小）

-XX:MaxMetaspaceSize=N //設(shè)置 Metaspace 的最大大小

與永久代很大的不同就是，如果不指定大小的話，隨著更多類的創(chuàng)建，虛擬機會耗盡所有可用的系統(tǒng)內(nèi)存。

為什么要將永久代 (PermGen) 替換為元空間 (MetaSpace) 呢?

整個永久代有一個 JVM 本身設(shè)置固定大小上限，無法進(jìn)行調(diào)整，而元空間使用的是直接內(nèi)存，受本機可用內(nèi)存的限制，并且永遠(yuǎn)不會得到 java.lang.OutOfMemoryError。你可以使用?-XX：MaxMetaspaceSize?標(biāo)志設(shè)置最大元空間大小，默認(rèn)值為 unlimited，這意味著它只受系統(tǒng)內(nèi)存的限制。-XX：MetaspaceSize?調(diào)整標(biāo)志定義元空間的初始大小如果未指定此標(biāo)志，則 Metaspace 將根據(jù)運行時的應(yīng)用程序需求動態(tài)地重新調(diào)整大小。

當(dāng)然這只是其中一個原因，還有很多底層的原因，這里就不提了。

運行時常量池

運行時常量池是方法區(qū)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，還有常量池信息（用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用）

既然運行時常量池是方法區(qū)的一部分，自然受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o法再申請到內(nèi)存時會拋出 OutOfMemoryError 異常。

JDK1.7 及之后版本的 JVM 已經(jīng)將運行時常量池從方法區(qū)中移了出來，在 Java 堆（Heap）中開辟了一塊區(qū)域存放運行時常量池。

直接內(nèi)存

直接內(nèi)存并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是虛擬機規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存也被頻繁地使用。而且也可能導(dǎo)致 OutOfMemoryError 異常出現(xiàn)。

JDK1.4 中新加入的?NIO(New Input/Output) 類，引入了一種基于通道（Channel）?與緩存區(qū)（Buffer）?的 I/O 方式，它可以直接使用 Native 函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個存儲在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。這樣就能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在 Java 堆和 Native 堆之間來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

本機直接內(nèi)存的分配不會受到 Java 堆的限制，但是，既然是內(nèi)存就會受到本機總內(nèi)存大小以及處理器尋址空間的限制。

Java 虛擬化

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