01 深刻理解JVM的內存區域

先來看看JVM運行時候的內存區域，以下圖：

　　大多數 JVM 將內存區域劃分爲 Heap（堆）、方法區、Stack（棧）、本地方法棧、程序計數器。其中 Heap 和 方法區 是線程共享的，Stack、本地方法棧 和 程序計數器 是非線程共享的。爲何分爲線程共享和非線程共享的呢？請繼續往下看。

　　首先咱們熟悉一下一個 Java 程序的工做過程。一個 Java 源程序文件，會被編譯爲字節碼文件（以 .class 爲擴展名），每一個 Java 程序都須要運行在本身的 JVM 上，被 JVM 經過字節碼解釋器加載運行。那麼程序開始運行後，都是如何涉及到各內存區域的呢？

　　歸納地說，JVM 初始運行的時候都會分配好 Heap 和 方法區，而 JVM 每遇到一個線程，就爲其分配一個 Stack、本地方法棧 和 程序計數器。當線程終止時，三者所佔用的內存空間也會被釋放掉。這也是爲何我把內存區域分爲線程共享和非線程共享的緣由，非線程共享的那三個區域的生命週期與所屬線程相同，而線程共享的區域與 Java 程序運行的生命週期相同，因此這也是系統垃圾回收的場所只發生在線程共享的區域（實際上對大部分虛擬機來講是發生在 Heap 上）的緣由。

一、Heap

Heap（堆）是 JVM 的內存數據區。Heap 的管理很複雜，是被全部線程共享的內存區域，在 JVM 啓動的時候建立，專門用來保存對象。在 Heap 中分配必定的內存來保存對象，實際上也只是保存對象的屬性值、屬性的類型 和 對象自己的類型標記等，並不保存對象的方法（方法以棧幀的形式保存在 Stack 中）。而對象在 Heap 中分配好內存之後，須要在 Stack 中保存一個4個字節的 Heap 內存地址，用來定位該對象在 Heap 中的位置，便於找到該對象。Heap 是垃圾回收的主要場所。Heap 處於物理不連續的內存空間中，只要邏輯上連續便可。

二、方法區

Object Class Data(加載類的類定義數據) 是存儲在方法區的。除此以外，常量、靜態變量、JIT(即時編譯器)編譯後的代碼也都在方法區。正由於方法區所存儲的數據與堆有一種類比關係，因此它還被稱爲 Non-Heap。方法區也能夠是內存不連續的區域組成的，而且可設置爲固定大小，也能夠設置爲可擴展的，這點與堆同樣。

垃圾回收在這個區域會比較少出現，這個區域的內存回收主要針對常量池的回收和類的卸載。

三、Stack

先來了解下 Java 指令的構成：

Java 指令由 操做碼（方法自己）和 操做數（方法內部變量）組成。　　　

1）方法自己是指令的操做碼部分，保存在 Stack 中；

2）方法內部變量（局部變量）做爲指令的操做數部分，跟在指令的操做碼以後，保存在 Stack 中（其實是簡單類型（int, byte, short 等）保存在 Stack 中，對象類型在 Stack 中保存地址，在 Heap 中保存值）；

　　棧也叫棧內存，是在線程建立時建立，它的生命期是跟隨線程的生命期，線程結束棧內存也就釋放，對於棧來講不存在垃圾回收問題，只要線程一結束，該棧就 Over ，因此不存在垃圾回收。也有一些資料翻譯成 Java 方法棧，大概是由於它所描述的是 Java 方法執行的內存模型，每一個方法執行的同時建立棧幀（Strack Frame）用於存儲局部變量表，操做棧（記錄出棧、入棧的操做），動態連接，方法出口 等信息，每一個方法被調用直到執行完畢的過程，對應着 棧幀 在 棧 的入棧和出棧的過程。

　　局部變量表 存放了編譯期可知的各類基本數據類型（byte、short、int、long、float、double、boolean、char）、對象的引用（ reference 類型，不等同於對象自己）和 returnAdress 類型（指向下一條字節碼指令的地址）。局部變量表 所需的內存空間在編譯期間完成分配，在方法運行以前，該局部變量表所須要的內存空間是固定的，運行期間也不會改變。

　　棧幀是一個內存區塊，是一個數據集，是一個有關方法( Method ) 和運行期數據的數據集，當一個方法 A 被調用時就產生了一個棧幀 F1 ，並被壓入到棧中，A 方法又調用了 B 方法，因而產生棧幀 F2 也被壓入棧，執行完畢後，先彈出 F2 棧幀，再彈出 F1 棧幀，遵循 「先進後出」 原則。

四、本地方法棧

與 Stack 類似，Stack 爲 JVM 提供執行 Java 方法的服務，本地方法棧 則爲 JVM 提供使用 native 方法的服務。

五、程序計數器

程序計數器是一塊較小的內存區域，做用能夠看作是當前線程執行的字節碼的位置指示器。分支、循環、跳轉、異常處理和線程恢復等基礎功能都須要依賴這個計數器來完成。

JVM 運行例子

咱們來寫一個簡單的類，代碼以下：

public class JVMShowcase {  
    // 靜態類常量
    public final static String ClASS_CONST = "I'm a Const";  

    // 私有實例變量  
    private int instanceVar = 15;  

    public static void main(String[] args) {  

        // 調用靜態方法  
        runStaticMethod();  

        // 調用非靜態方法  
        JVMShowcase showcase = new JVMShowcase();  
        showcase.runNonStaticMethod(100);  
    }  

    // 常規靜態方法  
    public static String runStaticMethod() {  
        return ClASS_CONST;  
    }  

    // 非靜態方法  
    public int runNonStaticMethod(int parameter) {  
        int methodVar = this.instanceVar * parameter;  
        return methodVar;  
    }  
}

這個類沒有任何意義，不用猜想這個類是作什麼用的，只是寫一個比較典型的類，而後咱們來看看 JVM 是如何運行的，也就是輸入 java JVMShowcase 後，咱們來看 JVM 是如何處理的：

• 第 1 步， 向操做系統申請空閒內存。JVM 對操做系統說 「給我 64M（隨便模擬數據，並非真實數據） 空閒內存」 ，因而，操做系統就查找本身的內存分配表，找了段 64M 的內存寫上 「Java 佔用」 標籤，而後把內存段的起始地址和終止地址給 JVM， JVM 準備加載類文件。

• 第 2 步，JVM 分配內存。JVM 得到 64M 內存，就開始得瑟了，首先給 Heap 分配內存，而後給 Stack 也分配好。

• 第 3 步，文件檢查 和 分析 class 文件。若發現有錯誤即返回錯誤。

• 第 4 步，加載類。因爲沒有指定加載器，JVM 默認使用 bootstrap 加載器，就把 rt.jar 下的全部類都加載，JVMShowcase 也被加載到內存中。咱們來看看方法區，以下圖：（這時候包含了 main 方法和 runStaticMethod 方法的符號引用，由於它們都是靜態方法，在類加載的時候就會加載）

此時，Heap 是空，Stack 是空，由於尚未對象的新建和線程被執行。

• 第 5 步，執行方法。執行 main 方法。執行啓動一個線程，開始執行 main 方法，在 main 執行完畢前，方法區以下圖所示：
  （public final static String ClASS_CONST = "I'm a Const"; ）

在 方法區 加入了 CLASS_CONST 常量，它是在第一次被訪問時產生的（runStaticMethod方法內部）。

Heap 內存中有兩個對象 Object 和 showcase 對象，以下圖所示：（執行了JVMShowcase showcase = new JVMShowcase(); ）

爲何會有 Object 對象呢？由於它是 JVMShowcase 的父類，JVM 是先初始化父類，而後再初始化子類，無論有多少個父類都初始化。

在 Stack 內存中有三個棧幀，以下圖所示：

於此同時，還建立了一個程序計數器指向下一條要執行的語句。

• 第 6 步，釋放內存。運行結束，JVM 向操做系統發送消息，說 「內存用完了，我還給你」 ，運行結束。

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