你不得不掌握的 JVM 內存管理

Java 引覺得豪的就是它的自動內存管理機制。相比於 C++的手動內存管理、複雜難以理解的指針等，Java 程序寫起來就方便的多。
然而這種呼之即來揮之即去的內存申請和釋放方式，天然也有它的代價。爲了管理這些快速的內存申請釋放操做，就必須引入一個池子來延遲這些內存區域的回收操做。
咱們常說的內存回收，就是針對這個池子的操做。咱們把上面說的這個池子，叫做堆，能夠暫時把它當作一個總體。

JVM 內存佈局

Java 程序的數據結構是很是豐富的。其中的內容，舉一些例子：
靜態成員變
動態成員變量
區域變量
短小緊湊的對象聲明
龐大複雜的內存申請

咱們先看一下 JVM 的內存佈局。隨着 Java 的發展，內存佈局一直在調整之中。好比，Java 8 及以後的版本，完全移除了持久代，而使用 Metaspace 來進行替代。這也表示着 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 等參數調優，已經沒有了意義。但大致上，比較重要的內存區域是固定的。

JVM 內存區域劃分如圖所示，從圖中咱們能夠看出：

• JVM 堆中的數據是共享的，是佔用內存最大的一塊區域。
• 能夠執行字節碼的模塊叫做執行引擎。
• 執行引擎在線程切換時怎麼恢復？依靠的就是程序計數器。
• JVM 的內存劃分與多線程是息息相關的。像咱們程序中運行時用到的棧，以及本地方法棧，它們的維度都是線程。
• 本地內存包含元數據區和一些直接內存。

虛擬機棧

Java 虛擬機棧是基於線程的。哪怕你只有一個 main() 方法，也是以線程的方式運行的。在線程的生命週期中，參與計算的數據會頻繁地入棧和出棧，棧的生命週期是和線程同樣的。

棧裏的每條數據，就是棧幀。在每一個 Java 方法被調用的時候，都會建立一個棧幀，併入棧。一旦完成相應的調用，則出棧。全部的棧幀都出棧後，線程也就結束了。每一個棧幀，都包含四個區域：

• 局部變量表
• 操做數棧
• 動態鏈接
• 返回地址

咱們的應用程序，就是在不斷操做這些內存空間中完成的。

本地方法棧是和虛擬機棧很是類似的一個區域，它服務的對象是 native 方法。你甚至能夠認爲虛擬機棧和本地方法棧是同一個區域，這並不影響咱們對 JVM 的瞭解。

這裏有一個比較特殊的數據類型叫做 returnAdress。由於這種類型只存在於字節碼層面，因此咱們日常打交道的比較少。對於 JVM 來講，程序就是存儲在方法區的字節碼指令，而 returnAddress 類型的值就是指向特定指令內存地址的指針。

• 這裏有一個兩層的棧。第一層是棧幀，對應着方法；第二層是方法的執行，對應着操做數。注意千萬不要搞混了。
• 你能夠看到，全部的字節碼指令，其實都會抽象成對棧的入棧出棧操做。執行引擎只須要傻瓜式的按順序執行，就能夠保證它的正確性。

程序計數器

既然是線程，就表明它在獲取 CPU 時間片上，是不可預知的，須要有一個地方，對線程正在運行的點位進行緩衝記錄，以便在獲取 CPU 時間片時可以快速恢復。

程序計數器是一塊較小的內存空間，它的做用能夠看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。這裏面存的，就是當前線程執行的進度。下面這張圖，可以加深你們對這個過程的理解。

能夠看到，程序計數器也是由於線程而產生的，與虛擬機棧配合完成計算操做。程序計數器還存儲了當前正在運行的流程，包括正在執行的指令、跳轉、分支、循環、異常處理等。

咱們能夠看一下程序計數器裏面的具體內容。下面這張圖，就是使用 javap 命令輸出的字節碼。你們能夠看到在每一個 opcode 前面，都有一個序號。就是圖中紅框中的偏移地址，你能夠認爲它們是程序計數器的內容。

堆 

堆是 JVM 上最大的內存區域，咱們申請的幾乎全部的對象，都是在這裏存儲的。咱們常說的垃圾回收，操做的對象就是堆。

堆空間通常是程序啓動時，就申請了，可是並不必定會所有使用。

隨着對象的頻繁建立，堆空間佔用的愈來愈多，就須要不按期的對再也不使用的對象進行回收。這個在 Java 中，就叫做 GC（Garbage Collection）。

因爲對象的大小不一，在長時間運行後，堆空間會被許多細小的碎片佔滿，形成空間浪費。因此，僅僅銷燬對象是不夠的，還須要堆空間整理。這個過程很是的複雜。

那一個對象建立的時候，究竟是在堆上分配，仍是在棧上分配呢？這和兩個方面有關：對象的類型和在 Java 類中存在的位置。

Java 的對象能夠分爲基本數據類型和普通對象。

對於普通對象來講，JVM 會首先在堆上建立對象，而後在其餘地方使用的實際上是它的引用。好比，把這個引用保存在虛擬機棧的局部變量表中。

對於基本數據類型來講（byte、short、int、long、float、double、char)，有兩種狀況。

咱們上面提到，每一個線程擁有一個虛擬機棧。當你在方法體內聲明瞭基本數據類型的對象，它就會在棧上直接分配。其餘狀況，都是在堆上分配。

注意，像 int[] 數組這樣的內容，是在堆上分配的。數組並非基本數據類型。

這就是 JVM 的基本的內存分配策略。而堆是全部線程共享的，若是是多個線程訪問，會涉及數據同步問題。

元空間

關於元空間，咱們仍是以一個很是高頻的面試題開始：「爲何有 Metaspace 區域？它有什麼問題？」

說到這裏，你應該回想一下類與對象的區別。對象是一個活生生的個體，能夠參與到程序的運行中；類更像是一個模版，定義了一系列屬性和操做。那麼你能夠設想一下。咱們前面生成的 A.class，是放在 JVM 的哪一個區域的？

想要問答這個問題，就不得不提下 Java 的歷史。在 Java 8 以前，這些類的信息是放在一個叫 Perm 區的內存裏面的。更早版本，甚至 String.intern 相關的運行時常量池也放在這裏。這個區域有大小限制，很容易形成 JVM 內存溢出，從而形成 JVM 崩潰。

Perm 區在 Java 8 中已經被完全廢除，取而代之的是 Metaspace。原來的 Perm 區是在堆上的，如今的元空間是在非堆上的，這是背景。關於它們的對比，能夠看下這張圖。

而後，元空間的好處也是它的壞處。使用非堆可使用操做系統的內存，JVM 不會再出現方法區的內存溢出；可是，無限制的使用會形成操做系統的死亡。因此，通常也會使用參數 -XX:MaxMetaspaceSize 來控制大小。

方法區，做爲一個概念，依然存在。它的物理存儲的容器，就是 Metaspace。如今，只須要了解到，這個區域存儲的內容，包括：類的信息、常量池、方法數據、方法代碼就能夠了。

小結

• 咱們常說的字符串常量，存放在哪呢？

因爲常量池，在 Java 7 以後，放到了堆中，咱們建立的字符串，將會在堆上分配。

• 堆、非堆、本地內存，有什麼關係？

關於它們的關係，咱們能夠看一張圖。在個人感受裏，堆是軟綿綿的，鬆散而有彈性；而非堆是冰冷生硬的，內存很是緊湊。

你們都知道，JVM 在運行時，會從操做系統申請大塊的堆內內存，進行數據的存儲。可是，堆外內存也就是申請後操做系統剩餘的內存，也會有部分受到 JVM 的控制。比較典型的就是一些 native 關鍵詞修飾的方法，以及對內存的申請和處理。

在 Linux 機器上，使用 top 或者 ps 命令，在大多數狀況下，可以看到 RSS 段（實際的內存佔用），是大於給 JVM 分配的堆內存的。

若是你申請了一臺系統內存爲 2GB 的主機，可能 JVM 能用的就只有 1GB，這即是一個限制。

總結

JVM 的運行時區域是棧，而存儲區域是堆。不少變量，其實在編譯期就已經固定了。