Java内存管理:深入Java内存区域
运行时数据区域
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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)。
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。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。
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。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。
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。
对象访问
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,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。
就虚拟机Sun HotSpot而言,它是使用第二种方式进行对象访问的。