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Java記憶體管理原理

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Java記憶體怎麼劃分?經常有人把Java記憶體區分為堆記憶體(Heap)和棧記憶體(Stack),這種分法比較粗糙,Java記憶體區域的劃分實際上遠比這複雜。這種劃分方式的流行只能說明大多數程式設計師最關注的、與物件記憶體分配關係最密切的記憶體區域是這兩塊。其中所指的“堆”是為 Java 堆,所指的“棧”是為虛擬機器棧或者說是虛擬機器棧中區域性變量表部分。

Java記憶體管理原理

Java虛擬機器所管理的記憶體將會包括以下幾個執行時資料區域,如下圖所示:

  程式計數器

程式計數器是一塊較小的記憶體空間,可以看做是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器。在虛擬機器的概念模型裡,位元組碼直譯器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令,分支、迴圈、跳轉、異常處理、執行緒恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器完成。

由於Java虛擬機器的多執行緒是通過執行緒輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的,在任何一個確定的時刻,一個處理器(對於多核處理器來說是一個核心)都只會執行一條執行緒中的指令。因此,為了執行緒切換後能恢復到正確的執行位置,獨立儲存,我們稱這類區域為“執行緒私有”的記憶體。

如果執行緒正在執行的是一個Java方法,這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機器位元組碼指令的地址;如果正在執行的`是Native方法,這個計數器值為空(undefined)。

此記憶體區域是唯一一個在Java虛擬機器規範中沒有規定任何 OutOfMemoryError 情況的區域。

  Java虛擬機器棧

與程式計數器一樣,Java 虛擬機器棧也是執行緒私有的,生命週期與執行緒相同。

虛擬機器棧描述的是 Java 方法執行的記憶體模型:每個方法在執行的同時都會建立一個棧幀用於儲存區域性變量表、運算元棧、動態連結、方法出口等資訊。每一個方法呼叫直至執行完成的過程,就對應著一個棧幀在虛擬機器棧中入棧到出棧的過程。

區域性變量表存放了編譯期可知的各種基本資料型別(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、物件引用(reference型別,它不等同於物件本身,可能是一個指向物件起始地址的引用指標,也可能是指向一個代表物件的控制代碼或其他與此物件相關的位置)和returnAddress型別(指向了一條位元組碼指令的地址)。

其中64位長度的 long 和 double 型別的資料會佔用2 個區域性變數空間(Slot),其餘的資料型別只佔用一個。區域性變量表所需的記憶體空間在編譯期間完成分配,當進入一個方法時,這個方法需要在幀中分配多大的區域性變空間是完全確定的,在方法執行期間不會改變區域性變量表的大小。

在 Java 虛擬機器規範中,對這個區域規定了兩種異常狀況:如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機器所允許的深度,將丟擲 StackOverflowError 異常;如果虛擬機器棧可以動態擴充套件,如果擴充套件時無法申請到足夠的記憶體,就會丟擲 OutOfMemoryError 異常。

  本地方法棧

本地方法棧與虛擬機器棧所發揮的作用是非常相似的,區別不過是虛擬機器棧為虛擬機器執行 Java 方法服務,而本地方法棧則為虛擬機器使用到的 Native 方法服務。在虛擬機器規範中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方法與資料結構並沒有強制規定,因此具體的虛擬機器可以自由實現它。甚至有的虛擬機器(譬如Sun HotSpot虛擬機器)直接就把本地方法棧和虛擬機器棧合二為一。

與虛擬機器棧一樣,本地方法棧區域也會丟擲 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。

  Java 堆

對於大多數應用來說,Java 堆是 Java 虛擬機器所管理的記憶體中最大的一塊。Java堆是被所有執行緒共享的一塊記憶體區域,在虛擬機器啟動時建立。此記憶體區域的唯一目的就是存放物件例項,幾乎所有的物件例項以及陣列都在這裡分配記憶體。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域,因此很多時候也被稱為“GC堆”。從記憶體分配的角度看,由於現在收集器基本都採用分代收集演算法,所以 Java 堆中還可以細分為:新生代和老年代;再細緻一點的有 Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等。從記憶體分配的角度看,執行緒共享的 Java 堆中可能劃分出多個執行緒私有的分配緩衝區。不過無論如何劃分,都與存放內容無關,無論哪個區域,儲存 的都仍然是物件例項,進一步劃分的目的是為了更好地回收記憶體,或者更快地分配記憶體。

Java虛擬機器規範的規定,Java 堆可以處於物理上不連續的記憶體空間中,只要邏輯上是連續的即可。在實現時,既可以實現成固定大小的,也可以是可擴充套件的,不過當前主流的虛擬機器都是按照可擴充套件來實現的(通過-Xmx和 -Xms控制)。

如果在堆中沒有記憶體完成例項分配,並且堆也無法再擴充套件時,會丟擲 OutOfMemoryError 異常。

  方法區

方法區與 Java 堆一樣,是各個執行緒共享的記憶體區域,它用於儲存已被虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。

方法區在虛擬機器啟動的時候被建立,雖然方法區是堆的邏輯組成部分,但是簡單的虛擬機器實現可以選擇在這個區域不實現垃圾回收。Java虛擬機器規範也不限定實現方法區的記憶體位置和編譯程式碼的管理策略。方法區的容量可以是固定大小的,也可以隨著程式執行的需求動態擴充套件,並不在過多空間時自動收縮。方法區在實際記憶體空間 中可以是不連續的。

根據 Java 虛擬機器規範的規定,當方法區無法滿足記憶體分配需求時,將丟擲 OutOfMemoryError 異常。

  執行時常量池

執行時常量池是方法區的一部分,用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用,這部分內容將在類載入後進入方法區的執行時常量池中存放。一般來說,除了儲存Class檔案中描述的符號引用外,還會把翻譯出來的直接引用也儲存在執行時常量池中。

執行時常量池相對於 Class 檔案常量池的另一個重要特徵是具備動態性,Java 語言並不要求常量一定只有編譯期才能產生,也就是並非預置入 Class 檔案中常量池的內容才能進入方法區執行時常量池,執行期間也可能將新的常量放入池中,這種特性被開發人員利用的比較多的便是 String 類的 intern() 方法。

既然執行時常量池是方法區的一部分,自然受到方法區記憶體的限制,當常量池無法再申請到記憶體時會丟擲 OutOfMemoryError 異常。