Java内存区域

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1.前言

　　Java由于有自动内存管理机制，所以开发人员一般不需要担忧内存泄漏等问题。但是这不意味着内存问题不会发生，由于不关注内存相关的问题，使得查找这方面的问题显得异常困难，所以了解虚拟机是如何使用内存是十分有必要的，还可以加深自己对程序的理解。所有JVM系列的内容都是阅读《深入理解JAVA虚拟机》和《Java Virtual Machine Specification》，提炼概括的，由于书的出版年限较早，当时JDK8还没有出来，这版还只是基于JDK7，本人功力尚浅，处于学习阶段，目前JDK9在测试之中。这段期间JVM技术也在发展，可能有些内容与目前的技术有所出入，当然变动也不太可能很大，不过阅读的时候要注意这个问题，如果有什么地方目前版本改进了，请指教，谢谢。

2.内存区域划分

2.1 JDK7

　　Java虚拟机定义了一些程序在运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机的启动时创建，退出时销毁，另一些数据区域与线程对应，线程开始和结束会导致其对应的数据区域创建和销毁。

　　红色指的是线程独立或称之为线程私有的内存，蓝色就是线程共享的区域了。

　　1)PC寄存器（程序计数器）：Java虚拟机支持多线程，每一个虚拟机线程都有自己的PC（Program Counter）寄存器。在任何时刻，一条Java虚拟机的线程只会执行一个方法的代码，这个正在被执行的方法称之为当前方法（Current Method）。如果这个方法不是native的，那么PC寄存器就会保存正在执行的字节码指令的地址，如果该方法是native的，那PC寄存器的值是undefined。PC寄存器的容量至少应当能保存一个returnAddress类型的数据或者一个与平台相关的本地指针的值。这是JAVA虚拟机规范之中唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

　　2)Java虚拟机栈：Java中每一个线程都有自己私有的Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），这个栈与线程同时创建，用于存储栈帧（Frames）。其作用与传统语音（C语言等）中的栈非常类似，就是用于存储局部变量和一些过程结果的地方。其存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。Java虚拟机栈可能有如下异常情况：1.如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机允许的最大容量时，会抛出一个StackOverflowError异常。2.如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且扩展的动作已经尝试过，但是目前没有申请到足够的内存去完成扩展，或者在建立新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

　　3)本地方法栈：Java虚拟机实现可能会使用到传统的栈（通常称为‘C Stacks’）来支持native方法（指Java以外的其他语言编写方法）的执行，这个栈就是本地方法栈了（Native Method Stack）。当虚拟机使用其他语言来实现指令集解释器时，也会使用到本地方法栈。如果Java虚拟机不支持native方法，并且自己也不依赖传统栈，可以无需支持本地方法栈，如果支持本地方法栈，那这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。本地方法栈可能有如下异常情况：如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量时，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。如果本地方法栈可以动态扩展，并且扩展动作已经尝试过，但是目前的无法申请到足够的内存去完成扩展，或者在建立新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈，那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

　　4)Java堆：在Java虚拟机中，堆（Heap）是可以供各条线程共享的运行时内存区域，也是供所有类实例和数组对象分配内存的区域。堆在虚拟机启动的时候就被创建了，它存储了被自动内存管理系统（Automatic Storage Management System,也就是常说的“Garbage Collector(垃圾收集器)"）所管理的各种对象，这些受管理的对象无需，也无法显式地被销毁。在实现时，可以是固定大小，也可以是可扩展的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果实际所需的堆超过了自动内存管理系统能提供的最大容量，那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

　　5)方法区：在虚拟机中，方法区（Method Area）是可供各个线程共享的运行时内存区域。方法区与传统语言中的编译代码储存区（Storage Area Of Compiled Code）或操作系统进程的正文段（Text Segment）的作用非常类似，它存储了每一个类的结构信息，例如运行时常量池（Runtime Constant Pool）、字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容，还包括一些在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法。方法区在虚拟机启动的时候被创建，虽然方法区是堆的逻辑组成部分，但是简单的虚拟机实现可以选择在这个区域不实现垃圾收集。这个版本的Java虚拟机规范也不限定实现方法区的内存位置和编译代码的管理策略。如果方法区的内存空间不能满足内存分配请求，那Java虚拟机将抛出一个OutOfMemoryError异常。

　　6)运行时常量池：Runtime Constant Pool是每一个类或者接口的常量池的运行时表示形式，它包括了若干种不同的常量：从编译期可知的数值字面量到必须运行时解析后才能获得的方法或字段引用。运行时常量池扮演了类似传统语言中符号表（Symbol Table）的角色，不过它存储数据范围比通常意义上的符号表更为广泛。每一个运行时常量池都分配在Java虚拟机的方法区中，在类和接口被加载到虚拟机后，对应的运行常量池就被创建出来。当创建类或接口的时候，如果构造运行时常量池所需要的内存空间超过了方法区所能提供的最大值，那Java虚拟机将会抛出一个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地使用。而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。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来操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。各个区域总内存（包括直接内存）要小于物理内存。

2.2 JDK8

　　看了一下JDK8的Java虚拟机规范，貌似没有太大的改变。

3 结束语

　　前面五个区域大致就是JVM的内存划分了，我们最需要关注的是堆和Java虚拟机栈，一个保持着对象实例，一个是方法的执行数据，下一章会讲一下栈帧的结构，更方便理解方法是如何调用的。