Java內存區域

概述

對於咱們java程序員來講，在虛擬機自動內存管理的機制下，不須要像C++那樣去爲每個new操做寫配對的delete/free代碼，不容易出現內存泄露和內存溢出的問題。不過，也正是由於java程序員把內存管理的權利交給了java虛擬機，一旦出現內存泄露和溢出方面的問題，若是不瞭解虛擬機是怎樣使用內存的, 那麼排查定位錯誤將會變得異常艱難。

本文章筆者將介紹java虛擬機的內存的各個區域，講解這些區域的做用，服務對象及其中可能產生的問題。

運行時數據區域

Java虛擬機在執行Java程序的過程當中會把它所管理的內存劃分爲若干個不一樣的數據區域。主要包括程序計數器、java虛擬機棧、本地方法棧、java堆和方法區這五個部分。以下圖所示。

程序計數器

程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，他能夠看作是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。

因爲Java虛擬機的多線程是經過線程輪流切換並分配處理器執行的時間的方式來實現的，在任何一個肯定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來講是一個內核）都只會執行一條線程中的指令。所以，爲了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都須要一個獨立的程序計數器，各條線程之間計數器互不影響，獨立存儲，咱們稱這類內存區域爲「線程私有」的內存。

若是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；若是正在執行的是Native方法，這個計數器值則爲空（Undefined）。此內存區域是惟一一個在java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError狀況的區域。

Java虛擬機棧

與程序計數器同樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命週期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每一個方法在執行的同時都會建立一個棧幀（Stack Frame）用於儲存局部變量表、操做數棧、動態連接、方法出口等信息。每個方法從調用到完成的過程，就對應一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

局部變量表存放了編譯器可知的各類基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等於對象自己，多是一個指向對象起始地址的引用指針，也多是指向一個表明對象的句柄或其餘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類型的數據會佔用2個局部變量空間（SLot），其他的數據類型只佔用1個。局部變量表所需的內存空間在編譯器完成分配，當進入一個方法時，這個方法須要在幀中分配多大的局部變量空間是徹底肯定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

在Java虛擬機規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：若是線程請求的棧深度大於虛擬機說容許的深度，將拋出StackOverflowError異常；若是虛擬機能夠動態擴展（當前大部分的虛擬機棧均可以動態擴展，只不過Java虛擬機規範中也容許固定長度的虛擬機棧），若是擴展時沒法申請到足夠的內存，就會拋出OutOfMemoryError異常

本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機棧發揮的做用是很是類似的，它們之間的區別不過是虛擬機棧爲虛擬機執行java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則爲虛擬機使用到的Native方法服務。在虛擬機規範中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與數據結構並無強制規定，所以具體的虛擬機能夠自由實現它。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爲一。與虛擬機棧同樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

Java堆

對於大多數應用來講，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機管理的內存區域中最大的一塊。Java堆是被全部線程所共享的一塊區域，在虛擬機啓動時建立。此內存區域惟一的目的就是存放對象實例，幾乎全部的對象實例都在這裏分配內存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，所以不少時候也被稱爲「GC堆」。從內存回收的角度來看，因爲如今收集器基本都是採用分代收集算法，因此Java堆中還能夠細分爲：新生代和老年代；在細緻一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。從內存分配的角度來看，線程共享的Java堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩衝區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不過不管如何劃分，都與存放內容無關，不管那個區域，存儲的都是對象實例，進一步劃分的目的是爲了更好的回收內存，或者更快的分配內存。

根據Java虛擬機規範的規定，Java堆能夠處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的便可，就像咱們的磁盤空間同樣。在實現時，既能夠實現城固定大小的，也能夠是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（經過-Xmx和-Xms控制）。若是在堆中沒有內存完成實例分配，而且堆也沒法在擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

方法區

方法區（Method Area）與Java堆同樣，是各個線程共享的區域，它用於已經被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據。

對於習慣在HotSpot虛擬機上開發、部署程序的開發者來講，不少人更願意把方法區稱爲「永久代」（Permanent Generation），本質上二者並不等價，僅僅是由於HotSpot虛擬機的設計團隊選擇吧GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法去而已，這樣HotSpot的垃圾收集器就能夠像管理Java堆同樣管理這部份內存，可以省去專門爲方法去編寫內存管理代碼的工做。對於其餘虛擬機（如BEA JRockit、IBM J9等）來講是不存在永久代的概念的。

根據Java虛擬機規範的規定，當方法區沒法知足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

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類字面量和符號引用，這部份內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。

運行時常量池相對於Class文件常量池的另一個重要特徵是具備動態性，Java語言並不要求常量必定只有編譯期才能產生，也就是並不是預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也能夠將新的常量放入池中，這種特性被開發人員引用的較多的是String類的intern()方法。

既然運行時常量池是方法區的一部分，天然受到方法去內存的限制，當常量池沒法申請到內存時會拋出OutOfMemoryError異常。

直接內存

直接內存（Direct Memory）並非虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規範中定義的內存區域。可是這部份內存也被頻繁地使用，並且也可能致使OutOfMemoryError異常出現，因此我放在這裏一塊兒講解。

在JDK1.4中新加入了NIO（New Inpu/Output）類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的I/O方式，它可使用Native函數庫直接分配堆外內存，而後經過一個儲存在Java堆中的DirectByteBuffer對象做爲這塊內存的引用進行操做。這樣能在一些場景中顯著提升性能，由於避免了在Java堆和Native堆中來回複製數據。

顯然，本機直接內存的分配不會受到Java堆大小的限制，可是，既然是內存，確定仍是會受到本機中內存（包括RAM以及SWAP區或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。服務器管理員在配置虛擬機參數時，會根據實際內存配置-Xmx等參數信息，但常常忽略實際內存，使得各個內存區域總和大於物理內存限制（包括物理的和操做系統級的限制），從而致使動態擴展時出現OutOfMemoryError異常。

本文主要參考自《深刻理解Java虛擬機》周志明 著