JVM笔记 | Java内存管理

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。
《深入理解Java虚拟机》

概述

对于一个Java程序员而言，由于JVM的自动内存管理机制，不需要为每一个new操作写对应的delete/free操作，也不容易出现内存泄露和内存溢出的问题。然而一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果对JVM内存管理机制不了解，那么排查错误将十分艰难。

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，即运行时数据区。这些区域都有各自的用途、以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有的区域依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

1. 程序计数器（Program Counter Register）

• 是一块较小的内存空间，可看作当前线程所执行的字节码的行号指示器。
  • 如果正在执行一个Java方法，计数器记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址。
  • 如果正在执行一个Native方法，计数器值为空（Undefined）。

Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。

• 为了切换线程后恢复到正确的执行位置，每条线程都需要独立的程序计数器，各线程计数器独立存储，互不影响。因此程序计数器是线程私有的内存
• 是唯一一个在JVM规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

• 描述Java方法执行的内存模型。
  • 每个方法在执行的同时会创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
  • 每个方法从调用至执行完成的过程，对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
• 是线程私有的，生命周期与线程相同。

经常有人把Java内存区分为堆内存和栈内存，这种分法比较粗糙。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。

• 其中堆指“Java堆”，栈指“JVM栈”，或者说JVM栈中的局部变量表部分。
  • 局部变量表存放了编译期可知的基本数据类型、对象引用和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。
  • 局部变量表所需内存在编译器分配，在进入方法时完全确定，并且方法运行期间不会改变。
• JVM规范中，对这个区域规定了两种异常情况：
  • 如果线程请求的栈深度大于JVM所允许的深度，将抛出StackOverFlowError异常；
  • 如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

3. 本地方法栈（Native Method Stack）

• 与JVM栈区别在于JVM栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。
• 在JVM规范中没有强制规定，由虚拟机自由实现（例如Sun HotSpot虚拟机 将本地方法栈和JVM栈合二为一）。
• 与JVM栈相同，会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常。

4. Java堆（Java Heap）

• 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，是JVM管理的内存中最大的一块（对大多应用程序而言）。
• 几乎所有的对象实例和数组都在Java堆分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从内存回收角度看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可细分为新生代和老年代；从内存分配角度看，Java堆可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（TLAB），无论如何划分，都与存放内容无关，进一步划分的目的是为了更好地回收内存或更快地分配内存。

• JVM规范规定：Java堆在物理上可以处于不连续内存空间中，只要逻辑上连续即可。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法拓展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

5. 方法区（Method Area）

• 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，是线程共享的内存区域。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人更愿意把方法区称为“永久代”，本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机使用永久代来实现方法区，虽然省去了专门为方法区编写内存管理代码的工作，但现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题。

• JVM规范对方法区的限制非常宽松，物理内存不需要连续，可以选择固定大小也可扩展，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出现较少，这个区域的内存回收目标主要针对常量池的回收和类型的卸载。
• JVM规范规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

6. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。

• 运行时常量池是方法区的一部分，受到方法区内存的限制。
• JVM规范对运行时常量池没有做任何细节的要求，虚拟机提供商可以按照自己的需求来实现这个内存区域。
• 运行时常量池相对于Class文件常量池的一个重要特征是具备动态性，并非只有Class文件常量池的内容才能进入运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中。（常见的如String类的intern()方法）
• 当常量池无法申请到内存时，会抛出OutOfMemoryError异常。
  推荐阅读博客：JVM基本结构

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