一 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

• jdk1.7中， Java虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過(guò)程中會(huì)把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域.png

數(shù)據(jù)區(qū)域。.png

二 線程私有內(nèi)存

2.1 程序計(jì)數(shù)器

• 1. 程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。
• 2. 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)功能都要依賴(lài)這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成。
• 3. 每條線程都有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)。如上圖所示，我們稱(chēng)這類(lèi)內(nèi)存區(qū)域?yàn)?: 線程私有內(nèi)存。
• 4. 如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空（Undefined）。
• 5. 此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)中沒(méi)有規(guī)范任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

2.2 Java虛擬機(jī)棧

• 每個(gè) Java 方法在執(zhí)行的同時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、常量池引用等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在 Java 虛擬機(jī)棧中入棧和出棧的過(guò)程。

  
  
  虛擬機(jī)棧.png
• 該區(qū)域可能拋出以下異常：
  當(dāng)線程請(qǐng)求的棧深度超過(guò)最大值，會(huì)拋出 StackOverflowError 異常；
  棧進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)如果無(wú)法申請(qǐng)到足夠內(nèi)存，會(huì)拋出 OutOfMemoryError 異常。

• 1. Java虛擬機(jī)棧也是線程私有的，它的生命周期與線程相同（隨線程而生，隨線程而滅）
• 2. 如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展，如果擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出OutOfMemoryError異常；（當(dāng)前大部分JVM都可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，只不過(guò)JVM規(guī)范也允許固定長(zhǎng)度的虛擬機(jī)棧）
• 3. Java虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法執(zhí)行的同時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀。 對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，主要關(guān)注的stack棧內(nèi)存，就是虛擬機(jī)棧中局部變量表部分。

可以通過(guò) -Xss 這個(gè)虛擬機(jī)參數(shù)來(lái)指定一個(gè)程序的 Java 虛擬機(jī)棧內(nèi)存大?。?java -Xss=512M HackTheJava

2.3 棧幀

• 棧幀是用于支持虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中的虛擬機(jī)棧的棧元素。
• 棧幀用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法返回等信息。
• 每個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過(guò)程。
• 在活動(dòng)線程中，只有位于棧頂?shù)臈攀怯行У模Q(chēng)為當(dāng)前棧幀，與這個(gè)棧幀相關(guān)聯(lián)的方法稱(chēng)為當(dāng)前方法。執(zhí)行引擎運(yùn)行的所有字節(jié)碼指令都只針對(duì)當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作。
• 局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)「String是引用類(lèi)型」，對(duì)象引用(reference類(lèi)型)和returnAddress類(lèi)型（它指向了一條字節(jié)碼指令的地址）
• 局部變量存儲(chǔ)在局部變量表中，隨著線程而生，線程而滅。并且線程間數(shù)據(jù)不共享。
• 但是，如果是成員變量，或者定義在方法外對(duì)象的引用，它們存儲(chǔ)在堆中。因?yàn)樵诙阎校蔷€程共享數(shù)據(jù)的，并且棧幀里的命名就已經(jīng)清楚的劃分了界限 : 局部變量表！

棧幀.png

2.4 本地方法棧

• 本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，它們之間的區(qū)別不過(guò)是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法服務(wù)（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。
• Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)本地方法棧使用的語(yǔ)言、使用方法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定，因此可以由虛擬機(jī)自由實(shí)現(xiàn)。例如：HotSpot虛擬機(jī)直接將本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。

• 同虛擬機(jī)棧相同，Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)這個(gè)區(qū)域也規(guī)定了兩種異常情況StackOverflowError 和 OutOfMemoryError異常。

  
  
  JNIFigure1.gif

三 線程共享內(nèi)存

3.1 堆

• 1. Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，是虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是【存放對(duì)象實(shí)例和數(shù)組】，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例和數(shù)組都在這里分配內(nèi)存。

• 2. Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，也稱(chēng)為GC 垃圾堆。后面會(huì)專(zhuān)門(mén)分析GC算法。 從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆可以細(xì)分為：新生代、老生代；
     從內(nèi)存分配的角度看，線程共享的Java堆可能劃分出多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)（TLAB）；
     不論如何劃分，都與存放的內(nèi)容無(wú)關(guān)，無(wú)論哪個(gè)區(qū)域，存儲(chǔ)的仍然是對(duì)象實(shí)例和數(shù)組。

• 3. 如果在堆中沒(méi)有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆上也無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

• 是垃圾收集的主要區(qū)域（"GC 堆"），現(xiàn)代的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法，該算法的思想是針對(duì)不同的對(duì)象采取不同的垃圾回收算法，因此虛擬機(jī)把 Java 堆分成以下三塊：
• 新生代（Young Generation）
• 老年代（Old Generation）
• 永久代（Permanent Generation）
• 當(dāng)一個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，它首先進(jìn)入新生代，之后有可能被轉(zhuǎn)移到老年代中。新生代存放著大量的生命很短的對(duì)象，因此新生代在三個(gè)區(qū)域中垃圾回收的頻率最高。為了更高效地進(jìn)行垃圾回收，把新生代繼續(xù)劃分成以下三個(gè)空間：
• Eden
• From Survivor

• To Survivor

  
  
  ppt_img.gif
• Java 堆不需要連續(xù)內(nèi)存，并且可以動(dòng)態(tài)增加其內(nèi)存，增加失敗會(huì)拋出 OutOfMemoryError 異常。
• 可以通過(guò) -Xms 和 -Xmx 兩個(gè)虛擬機(jī)參數(shù)來(lái)指定一個(gè)程序的 Java 堆內(nèi)存大小，第一個(gè)參數(shù)設(shè)置初始值，第二個(gè)參數(shù)設(shè)置最大值。
  java -Xms=1M -Xmx=2M HackTheJava

• 4. 內(nèi)存泄露和內(nèi)存溢出
• 內(nèi)存泄露 ： 指程序中動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存給一些臨時(shí)對(duì)象，但是對(duì)象不會(huì)被GC所回收，它始終占用內(nèi)存。即被分配的對(duì)象可達(dá)但已無(wú)用，可用內(nèi)存越來(lái)越少。
• 內(nèi)存溢出 ： 指程序運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存而導(dǎo)致的一種錯(cuò)誤。內(nèi)存溢出通常發(fā)生于老年代或永久代垃圾回收后，仍然無(wú)內(nèi)存空間容納新的Java對(duì)象的情況。
  內(nèi)存泄露是內(nèi)存溢出的一種誘因，不是唯一因素。

3.2 方法區(qū)

• 1. 方法區(qū)又被稱(chēng)為靜態(tài)區(qū)，是程序中永遠(yuǎn)唯一的元素存儲(chǔ)區(qū)域。和堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域。它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

• 2. Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)方法區(qū)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(kuò)展之外，還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾回收。
     這區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和類(lèi)型的卸載，一般而言，這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收比較難以令人滿(mǎn)意，尤其是類(lèi)型的回收，條件相當(dāng)苛刻，但是這部分區(qū)域的內(nèi)存回收確實(shí)是必要的。

• 3. 很多開(kāi)發(fā)者更愿意把方法區(qū)稱(chēng)為“永久代”(Perm Gen)(Permanent Generation)「總是存放不會(huì)輕易改變的內(nèi)容」。在目前已經(jīng)發(fā)布的JDK 1.7 的HotSpot中，已經(jīng)把原本放在永久代的字符串常量池移至堆中。

• 4. 運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime Constant Pool)是方法區(qū)的一部分。
• JDK 1.8 中，已經(jīng)沒(méi)有方法區(qū)(永久代)，而是將方法區(qū)直接放在一個(gè)與堆不相連的本地內(nèi)存區(qū)域(Native Memory)，這個(gè)區(qū)域被叫做元空間。

3.3 運(yùn)行時(shí)常量池

• 1. Class文件中除了有類(lèi)的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池(Constant Pool Table)，用于存放編譯期生成的字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容（也可以稱(chēng)為 .Class文件中的靜態(tài)常量池）將在類(lèi)加載后進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中存放。

• 字面量 ： 比較接近Java語(yǔ)言層面的常量概念，如文本字符串、聲明為final的常量值等。（final修飾的成員變量和類(lèi)變量！「類(lèi)變量即靜態(tài)(成員)變量)」，也就是除final修飾的局部變量。

• 符號(hào)引用* ： 屬于編譯原理方面的概念，包括
  1.類(lèi)和接口的全限定名(即路徑，包名+類(lèi)名)。
  2.字段的名稱(chēng)和描述符。
  3.方法的名稱(chēng)和描述符.
• 當(dāng)虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要從常量池獲得對(duì)應(yīng)的符號(hào)引號(hào)，再在類(lèi)創(chuàng)建或運(yùn)行時(shí)解析、翻譯到具體的內(nèi)存地址之中（直接引用）。

• 2. 除了保存Class文件中描述的符號(hào)引用外，還會(huì)把編譯出來(lái)的直接引用也存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)常量池中。

• 3. Java語(yǔ)言并不要求常量一定只有編譯期才能生成，也就是并非置入Class文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開(kāi)發(fā)人員利用得比較多的便是String 類(lèi)的intern()方法。(后面會(huì)分析String類(lèi)。)

• 4. 當(dāng)常量池?zé)o法再申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)也會(huì)拋出OutofMemoryError異常。

4 成員變量與局部變量

成員變量 : 方法外部，類(lèi)內(nèi)部定義的變量；
局部變量 : 方法或語(yǔ)句塊內(nèi)部定義的變量，必須初始化。
形參是局部變量，實(shí)參則可能是方法中的局部變量或全局變量。
棧內(nèi)存中的局部變量隨方法而生，隨方法而滅。
成員變量存儲(chǔ)在堆中的對(duì)象里，由垃圾收集器回收。

變量.png

參考

Java內(nèi)存區(qū)域——堆，棧，方法區(qū)等