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java內(nèi)存模型

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程序計數(shù)器

程序計數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現(xiàn)），字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變

這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。

由于Java 虛擬機的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間的方式來實現(xiàn)的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對于多核處理器來說是一個內(nèi)核）只會執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器，各條線程之間的計數(shù)器互不響，獨立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域為“線程私有”的內(nèi)存。

如果線程正在執(zhí)行的是一個Java 方法，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Natvie 方法，這個計數(shù)器值則為空（Undefined）。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在Java 虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。

java虛擬機棧

與程序計數(shù)器一樣，Java 虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法被執(zhí)行的時候都會同時創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame ①）用于存儲局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

經(jīng)常有人把Java 內(nèi)存區(qū)分為堆內(nèi)存（Heap）和棧內(nèi)存（Stack），這種分法比較粗糙，Java 內(nèi)存區(qū)域的劃分實際上遠(yuǎn)比這復(fù)雜。這種劃分方式的流行只能說明大多數(shù)程序員最關(guān)注的、與對象內(nèi)存分配關(guān)系最密切的內(nèi)存區(qū)域是這兩塊。其中所指的“堆”在后面會專門講述，而所指的“棧”就是現(xiàn)在講的虛擬機棧，或者說是虛擬機棧中的局部變量表部分。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference 類型，它不等同于對象本身，根據(jù)不同的虛擬機實現(xiàn)，它可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關(guān)的位置）和returnAddress 類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。其中64 位長度的long 和double 類型的數(shù)據(jù)會占用2 個局部變量空間（Slot），其余的數(shù)據(jù)類型只占用1 個。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，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(guī)范中，對這個區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError 異常；如果虛擬機?？梢詣討B(tài)擴展（當(dāng)前大部分的Java 虛擬機都可動態(tài)擴展，只不過Java 虛擬機規(guī)范中也允許固定長度的虛擬機棧），當(dāng)擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存時會拋出OutOfMemoryError 異常。

本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過是虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java 方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native 方法服務(wù)。虛擬機規(guī)范中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強制規(guī)定，因此具體的虛擬機可以自由實現(xiàn)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為一。
與虛擬機棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會拋出StackOverflowError 和OutOfMemoryError異常。

Java 堆

對于大多數(shù)應(yīng)用來說，Java 堆（Java Heap）是Java 虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java 堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內(nèi)存。這一點在Java 虛擬機規(guī)范中的描述是：所有的對象實例以及數(shù)組都要在堆上分配①，但是隨著JIT 編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)的逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換②優(yōu)化技術(shù)將會導(dǎo)致一些微妙的變化發(fā)生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對”了。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時候也被稱做“GC 堆”（GarbageCollected Heap，幸好國內(nèi)沒翻譯成“垃圾堆”）。如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java 堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代；再細(xì)致一點的有Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等。如果從內(nèi)存分配的角度看，線程共享的Java 堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩沖區(qū)（Thread LocalAllocation Buffer，TLAB）。不過，無論如何劃分，都與存放內(nèi)容無關(guān)，無論哪個區(qū)域，存儲的都仍然是對象實例，進一步劃分的目的是為了更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。在本章中，我們僅僅針對內(nèi)存區(qū)域的作用進行討論，Java 堆中的上述各個區(qū)域的分配和回收等細(xì)節(jié)將會是下一章的主題。

根據(jù)Java 虛擬機規(guī)范的規(guī)定，Java 堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現(xiàn)時，既可以實現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當(dāng)前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現(xiàn)的（通過-Xmx和-Xms 控制）。如果在堆中沒有內(nèi)存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError 異常。

方法區(qū)

方法區(qū)（Method Area）與Java 堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然Java 虛擬機規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應(yīng)該是與Java 堆區(qū)分開來。

對于習(xí)慣在HotSpot 虛擬機上開發(fā)和部署程序的開發(fā)者來說，很多人愿意把方法區(qū)稱為“永久代”（Permanent Generation），本質(zhì)上兩者并不等價，僅僅是因為HotSpot 虛擬機的設(shè)計團隊選擇把GC 分代收集擴展至方法區(qū)，或者說使用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)而已。對于其他虛擬機（如BEA JRockit、IBM J9 等）來說是不存在永久代的概念的。即使是HotSpot 虛擬機本身，根據(jù)官方發(fā)布的路線圖信息，現(xiàn)在也有放棄永久代并“搬家”至Native Memory 來實現(xiàn)方法區(qū)的規(guī)劃了。

Java 虛擬機規(guī)范對這個區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java 堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現(xiàn)垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進入了方法區(qū)就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這個區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說這個區(qū)域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當(dāng)苛刻，但是這部分區(qū)域的回收確實是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中，曾出現(xiàn)過的若干個嚴(yán)重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虛擬機對此區(qū)域未完全回收而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

根據(jù)Java 虛擬機規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)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(qū)的一部分。Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項信息是常量池（Constant PoolTable），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運行時常量池中。

Java 虛擬機對Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴(yán)格的規(guī)定，每一個字節(jié)用于存儲哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求，這樣才會被虛擬機認(rèn)可、裝載和執(zhí)行。但對于運行時常量池，Java 虛擬機規(guī)范沒有做任何細(xì)節(jié)的要求，不同的提供商實現(xiàn)的虛擬機可以按照自己的需要來實現(xiàn)這個內(nèi)存區(qū)域。不過，一般來說，除了保存Class 文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常量池中①。

運行時常量池相對于Class 文件常量池的另外一個重要特征是具備動態(tài)性，Java 語言并不要求常量一定只能在編譯期產(chǎn)生，也就是并非預(yù)置入Class 文件中常量池的內(nèi)容才能進入方法區(qū)運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發(fā)人員利用得比較多的便是String 類的intern() 方法。既然運行時常量池是方法區(qū)的一部分，自然會受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o法再申請到內(nèi)存時會拋出OutOfMemoryError 異常

內(nèi)存溢出

Java 堆溢出

下面的程中我們限制Java 堆的大小為20MB，不可擴展（將堆的最小值-Xms 參數(shù)與最大值-Xmx 參數(shù)設(shè)置為一樣即可避免堆自動擴展），通過參數(shù)-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 可以讓虛擬機在出現(xiàn)內(nèi)存溢出異常時Dump 出當(dāng)前的內(nèi)存堆轉(zhuǎn)儲快照以便事后進行分析。

/**

 * @Described：堆溢出測試
 * @VM args:-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -XX:+PrintGCDetails
 * @author YHJ create at 2011-11-12 下午07:52:22
 * @FileNmae com.yhj.jvm.memory.heap.HeapOutOfMemory.java
 */

public class HeapOutOfMemory {
    /**
     * @param args
     * @Author YHJ create at 2011-11-12 下午07:52:18
     */
    public static void main(String[] args) {
       List<TestCase> cases = new ArrayList<TestCase>();
       while(true){
           cases.add(new TestCase());
       }
    }
}

Java 堆內(nèi)存的OutOfMemoryError異常是實際應(yīng)用中最常見的內(nèi)存溢出異常情況。出現(xiàn)Java 堆內(nèi)存溢出時，異常堆棧信息“java.lang.OutOfMemoryError”會跟著進一步提示“Java heapspace”。要解決這個區(qū)域的異常，一般的手段是首先通過內(nèi)存映像分析工具（如EclipseMemory Analyzer）對dump 出來的堆轉(zhuǎn)儲快照進行分析，重點是確認(rèn)內(nèi)存中的對象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏（Memory Leak）還是內(nèi)存溢出（Memory Overflow）。圖2-5 顯示了使用Eclipse Memory Analyzer 打開的堆轉(zhuǎn)儲快照文件。
如果是內(nèi)存泄漏，可進一步通過工具查看泄漏對象到GC Roots 的引用鏈。于是就能找到泄漏對象是通過怎樣的路徑與GC Roots 相關(guān)聯(lián)并導(dǎo)致垃圾收集器無法自動回收它們的。掌握了泄漏對象的類型信息，以及GC Roots 引用鏈的信息，就可以比較準(zhǔn)確地定位出泄漏代碼的位置。
如果不存在泄漏，換句話說就是內(nèi)存中的對象確實都還必須存活著，那就應(yīng)當(dāng)檢查虛擬機的堆參數(shù)（-Xmx 與-Xms），與機器物理內(nèi)存對比看是否還可以調(diào)大，從代碼上檢查是否存在某些對象生命周期過長、持有狀態(tài)時間過長的情況，嘗試減少程序運行期的內(nèi)存消耗。
以上是處理Java 堆內(nèi)存問題的簡略思路，處理這些問題所需要的知識、工具與經(jīng)驗在后面的幾次分享中我會做一些額外的分析。

java棧溢出

/**
 * @Described：棧層級不足探究
 * @VM args:-Xss128k
 * @author YHJ create at 2011-11-12 下午08:19:28
 * @FileNmae com.yhj.jvm.memory.stack.StackOverFlow.java
 */

public class StackOverFlow {
    private int i ;

    public void plus() {
       i++;
       plus();
    }

    /**
     * @param args
     * @Author YHJ create at 2011-11-12 下午08:19:21
     */
    public static void main(String[] args) {
       StackOverFlow stackOverFlow = new StackOverFlow();
       try {
           stackOverFlow.plus();
       } catch (Exception e) {
           System.out.println("Exception:stack length:"+stackOverFlow.i);
           e.printStackTrace();
       } catch (Error e) {
           System.out.println("Error:stack length:"+stackOverFlow.i);
           e.printStackTrace();
       }
    }
}

常量池溢出

/**
 * @Described：常量池內(nèi)存溢出探究
 * @VM args : -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author YHJ create at 2011-10-30 下午04:28:30
 * @FileNmae com.yhj.jvm.memory.constant.ConstantOutOfMemory.java
 */

public class ConstantOutOfMemory {
    /**
     * @param args
     * @throws Exception
     * @Author YHJ create at 2011-10-30 下午04:28:25
     */

    public static void main(String[] args) throws Exception {
       try {
           List<String> strings = new ArrayList<String>();
           int i = 0;
           while(true){
              strings.add(String.valueOf(i++).intern());
           }
       } catch (Exception e) {
           e.printStackTrace();
           throw e;
       }
    }
}

方法區(qū)溢出

/**
 * @Described：方法區(qū)溢出測試
 * 使用技術(shù) CBlib
 * @VM args : -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * @author YHJ create at 2011-11-12 下午08:47:55
 * @FileNmae com.yhj.jvm.memory.methodArea.MethodAreaOutOfMemory.java
 */

public class MethodAreaOutOfMemory {
    /**
     * @param args
     * @Author YHJ create at 2011-11-12 下午08:47:51
     */

    public static void main(String[] args) {
       while(true){
           Enhancer enhancer = new Enhancer();
           enhancer.setSuperclass(TestCase.class);
           enhancer.setUseCache(false);
           enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
              @Override
              public Object intercept(Object arg0, Method arg1, Object[] arg2,
                     MethodProxy arg3) throws Throwable {
                  return arg3.invokeSuper(arg0, arg2);
              }
           });
           enhancer.create();
       }
    }
}

/**
 * @Described：測試用例
 * @author YHJ create at 2011-11-12 下午08:53:09
 * @FileNmae com.yhj.jvm.memory.methodArea.MethodAreaOutOfMemory.java
 */

class TestCase{
}