java内存管理

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。这些区域有各自的用途,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一直存在,有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范》的规定,Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域,如图2-1所示。


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1. Java堆

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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做“GC堆”。

从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以Java堆还可以细分为新生代和老年代;再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间和To Survivor空间等。

从内存分配的角度看,线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)。

根据Java虚拟机规范的规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可。在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的。

如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

2. 方法区

方法区与Java堆一样是所有线程共享的内存区域,用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量和即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的是与Java堆区分开。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松,除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外,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是比较少出现的,但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载,一般来说,这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻,但是这部分区域的回收确实是有必要的。

运行时常量池是方法区的一部分,用于存放编译期生成的各种字面常量和符号引用。

根据Java虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

3. Java虚拟机栈

Java虚拟机栈是线程私有的,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的时候都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表操作栈动态链接方法返回地址等信息。每一个方法从被调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程,如下图所示。

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局部变量表用于存放方法参数方法内部定义的局部变量,其大小在代码编译期间已经确定,在方法运行期间不会改变。局部变量表以变量槽Slot)为最小存储单位,每个Slot能够存放一个boolean、byte、char、short、int、float、reference(对象引用)和returnAddress(指向了一条字节码指令的地址)类型的32位数据,对于64位的数据类型long和double,虚拟机会以高位对齐的方式为其分配两个连续的Slot空间。

在方法执行时,如果是实例方法,即非static方法,局部变量表中第0位Slot默认存放对象实例的引用,在方法中可以通过关键字 this 进行访问,方法参数按照参数列表顺序,从第1位Slot开始分配,方法内部变量则按照定义顺序进行分配其余的Slot。

在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常状况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,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时会抛出OutOfMemoryError异常。

4. 程序计数器

程序计数器可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里,字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理和线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于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,一个处理器只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储。

如果线程正在执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Native方法,这个计数器值则为空(Undefined)。

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

5. 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由地实现它,甚至有的虚拟机(如Sun HotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

6. 直接内存

直接内存(Direct Memory)是使用 Native 函数库直接分配的堆外内存,不受 Java 堆大小的影响,动态扩展内存不够时也会抛出 OutOfMemoryError 异常。

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