前言

在使用c++進(jìn)行編程時(shí)淘衙，我們通過(guò)new創(chuàng)建的每一個(gè)對(duì)象都需要有對(duì)應(yīng)的delete操作去釋放對(duì)象所占用的內(nèi)存横浑，對(duì)內(nèi)存的掌控度比較高剔桨，但是程序員需要知道對(duì)象什么時(shí)候不需要使用了，并需要手動(dòng)釋放內(nèi)存徙融，如果忘記了delete釋放领炫，很容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏(申請(qǐng)內(nèi)存后，沒(méi)有釋放张咳，會(huì)一直占用著)和內(nèi)存溢出（因?yàn)檫^(guò)多的內(nèi)存泄漏導(dǎo)致無(wú)法申請(qǐng)足夠的內(nèi)存帝洪，即out of memory）的問(wèn)題。

相比之下脚猾，java虛擬機(jī)提供了自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制葱峡，java程序員可以解放雙手，不再需要去寫(xiě)delete等手動(dòng)釋放內(nèi)存的代碼龙助，虛擬機(jī)會(huì)自動(dòng)將內(nèi)存中無(wú)用的對(duì)象占用的內(nèi)存釋放砰奕。

了解jvm的必要

雖然有自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制的存在蛛芥，但是不代表寫(xiě)的每個(gè)java程序都不存在內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問(wèn)題，我們需要對(duì)虛擬機(jī)有足夠的了解军援，才能在發(fā)生內(nèi)存泄露和內(nèi)存溢出的時(shí)候有效地排查問(wèn)題仅淑。

本文將對(duì)jvm虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)存進(jìn)行一個(gè)基本的介紹，后續(xù)的文章也會(huì)講解jvm其他知識(shí)胸哥，大部分都是自己的讀書(shū)總結(jié)加上自己的理解涯竟。希望將自己的所學(xué)進(jìn)行總結(jié)的同時(shí)能惠及他人，如果有什么地方講的不對(duì)空厌，希望各位同學(xué)能夠指出庐船。

內(nèi)存劃分

java虛擬機(jī)將其管理的內(nèi)存劃分為以下幾塊：

• 程序計(jì)數(shù)器 （PC Register)
• 虛擬機(jī)棧 (JVM Stack)
• 本地方法棧 (Native Method Stack)
• 堆 (Heap)
• 方法區(qū) (Method Area)

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域.png

各個(gè)區(qū)域都有其各自的特點(diǎn)和作用，以及不同的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀的時(shí)間

各個(gè)區(qū)域的介紹

程序計(jì)數(shù)器

• 描述
  • 程序計(jì)數(shù)器是一個(gè)較小的內(nèi)存區(qū)域
• 作用
  • 記錄著當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼行號(hào)嘲更。
  • 字節(jié)碼解釋器在工作的時(shí)候筐钟，通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。
  • 分支赋朦，循環(huán)篓冲，跳轉(zhuǎn)，異常處理宠哄，線程恢復(fù)等功能都需要使用到這個(gè)程序計(jì)數(shù)器纹因。
• 特點(diǎn)
  • 線程私有--每個(gè)線程都有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器。
  • 如果當(dāng)前線程正在執(zhí)行一個(gè)java方法琳拨，這程序計(jì)數(shù)器的值為虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址瞭恰，如果執(zhí)行的是一個(gè)Native 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器的值則為空狱庇。
  • 程序計(jì)數(shù)器是唯一沒(méi)有規(guī)定OutOfMemoryError的內(nèi)存區(qū)域惊畏。
• 創(chuàng)建時(shí)間
  • 每個(gè)線程啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)創(chuàng)建一個(gè)較小的內(nèi)存區(qū)域作為線程的程序計(jì)數(shù)器
• 銷(xiāo)毀時(shí)間
  • 線程結(jié)束時(shí)會(huì)釋放該內(nèi)存區(qū)域

擴(kuò)展問(wèn)題1：為什么需要程序計(jì)數(shù)器？

java虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)線程輪轉(zhuǎn)密任，分配CPU時(shí)間片來(lái)執(zhí)行java程序颜启，當(dāng)線程切換時(shí)，為了能夠回到原來(lái)的字節(jié)碼執(zhí)行位置繼續(xù)程序的執(zhí)行浪讳，所以每個(gè)線程會(huì)有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器缰盏。

擴(kuò)展問(wèn)題2：Native方法是什么？

java程序執(zhí)行的時(shí)候調(diào)用的方法淹遵，有些是用java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的口猜，有些是用其他語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)的，用其他語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的方法稱(chēng)為Native方法或本地方法,native方法會(huì)使用native關(guān)鍵字進(jìn)行標(biāo)注,如Object類(lèi)的getClass()方法：

public class Object {
    
    public final native Class<?> getClass();
    ...
}

由于native方法不是java實(shí)現(xiàn)的透揣，也就沒(méi)有字節(jié)碼行號(hào)之說(shuō)济炎，此時(shí)程序計(jì)數(shù)器的值應(yīng)當(dāng)為空（undefined)。

虛擬機(jī)棧

• 描述
  • 虛擬機(jī)棧是描述java方法執(zhí)行過(guò)程的一個(gè)內(nèi)存模型辐真。
  • 具體描述：每個(gè)方法在執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀须尚，棧幀中存儲(chǔ)的是java方法的局部變量表崖堤、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接耐床、方法出口等信息密幔。java程序在執(zhí)行的時(shí)候每調(diào)用一個(gè)java方法都會(huì)對(duì)應(yīng)的創(chuàng)建棧幀并壓入虛擬機(jī)棧中，當(dāng)方法執(zhí)行完畢撩轰，又會(huì)將棧幀從虛擬機(jī)棧中彈出胯甩。虛擬機(jī)棧就是棧幀存放的一個(gè)棧結(jié)構(gòu)的內(nèi)存區(qū)域。
• 作用
  • 描述java方法執(zhí)行的過(guò)程钧敞，保存棧幀蜡豹。
• 特點(diǎn)
  • 線程私有
  • 此區(qū)域可能會(huì)有兩種內(nèi)存異常情況：
    • 當(dāng)棧的深度大于虛擬機(jī)所限制的最大深度麸粮，會(huì)拋出StackOverflowError異常溉苛。
    • 如果虛擬機(jī)棧動(dòng)態(tài)擴(kuò)展無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出OutOfMemoryError異常弄诲。
• 創(chuàng)建時(shí)間
  • 線程啟動(dòng)的時(shí)候
• 銷(xiāo)毀時(shí)間
  • 線程結(jié)束的時(shí)候

擴(kuò)展1：局部變量表

局部變量表用于存放編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型愚战、對(duì)象引用、returnAddress類(lèi)型（一條字節(jié)碼指令的地址）。

對(duì)于基本數(shù)據(jù)類(lèi)型，存放的是變量的名和值悄但；

對(duì)于引用類(lèi)型澜薄，存放的是指向?qū)ο笤诙阎械钠鹗嫉刂贰?/p>

ps: 對(duì)于64位的long或double類(lèi)型的局部變量會(huì)占用兩個(gè)局部變量表空間（Slot),其余的數(shù)據(jù)類(lèi)型都是只占用一個(gè)局部變量表空間。

局部變量表所需要的空間在編譯期間已經(jīng)計(jì)算好了佃迄，在一個(gè)方法執(zhí)行時(shí)，需要為棧幀分配多少局部變量表空間是完全確定的。

本地方法棧

本地方法棧的特性和虛擬機(jī)棧幾乎一樣断序。

• 本地方法棧與虛擬機(jī)棧的區(qū)別
  • 本地方法棧為本地方法服務(wù)
• 本地方法棧可能出現(xiàn)的異常
  • 同虛擬機(jī)棧一樣可能拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError 異常糜烹。

堆

• 描述
  • 堆內(nèi)存的唯一目的是存放對(duì)象實(shí)例违诗。
  • 堆內(nèi)存是垃圾收集的主要區(qū)域，因此也叫GC堆
• 作用
  • 存放對(duì)象實(shí)例
• 特點(diǎn)
  • 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊
  • 幾乎所有的對(duì)象都在堆區(qū)分配內(nèi)存疮蹦，當(dāng)然也有例外诸迟，JIT編譯器有可能會(huì)進(jìn)行優(yōu)化，直接在棧上分配愕乎，有關(guān)信息可以直接搜索“逃逸分析”了解阵苇，這不在本文的討論范圍內(nèi)。
  • 所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域
  • 堆內(nèi)存在物理上不一定是連續(xù)的感论，保證邏輯連續(xù)即可
  • 堆內(nèi)存區(qū)域無(wú)法滿足分配對(duì)象實(shí)例所需內(nèi)存慎玖，可能拋出OutOfMemoryError異常
  • 堆內(nèi)存設(shè)置固定大小也可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，可在啟動(dòng)參數(shù)上指定最小大小及擴(kuò)容的上限笛粘。
• 創(chuàng)建時(shí)間
  • 虛擬機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候就創(chuàng)建了堆內(nèi)存

擴(kuò)展1： 堆區(qū)細(xì)分

jvm為了垃圾回收的方便趁怔，將堆劃分為新生代和老年代,新創(chuàng)建的對(duì)象基本上都放在新生代中湿硝，而存活比較久的對(duì)象則會(huì)移到老年代中。新生代和老年代采用不同的垃圾收集算法润努，可以更高效地回收內(nèi)存关斜。采用復(fù)制算法的新生代還可以細(xì)分為Eden、From Survivor和To Survivor铺浇。具體的詳情是怎樣的痢畜，為了不偏離這篇文章的主旨，這里先打個(gè)問(wèn)號(hào)鳍侣，后序的文章將會(huì)詳細(xì)介紹堆區(qū)的幾個(gè)劃分的用途丁稀。

堆區(qū)雖然是線程共享的，但是如果設(shè)定了啟動(dòng)參數(shù)-XX:+UseTLAB倚聚，則開(kāi)啟了本地線程分配緩沖（Thread local Allocation Buffer, TLAB）线衫，會(huì)為每個(gè)線程單獨(dú)在堆中劃分出一個(gè)TLAB，哪個(gè)線程需要分配內(nèi)存惑折，就先在該線程對(duì)應(yīng)的TLAB中分配內(nèi)存授账，當(dāng)TLAB用完，才在堆區(qū)的Eden中繼續(xù)申請(qǐng)一塊TLAB惨驶。

方法區(qū)

方法區(qū)是用于存放虛擬機(jī)加載的類(lèi)信息白热、常量、靜態(tài)變量粗卜、編譯后的代碼等數(shù)據(jù)屋确。

方法區(qū)特點(diǎn)：

• 線程共享
• 方法區(qū)大小可固定也可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。
• 與堆區(qū)一樣不需要連續(xù)的物理內(nèi)存续扔，但要求邏輯連續(xù)攻臀。
• 該區(qū)域的垃圾收集目標(biāo)主要是針對(duì)運(yùn)行時(shí)常量池的回收和對(duì)類(lèi)進(jìn)行卸載。
• 可能出現(xiàn)OutOfMemoryError異常测砂。

擴(kuò)展1：運(yùn)行時(shí)常量池：

class文件中有個(gè)常量池茵烈，運(yùn)行時(shí)常量池就是class文件中常量池經(jīng)過(guò)類(lèi)加載后存放的內(nèi)存區(qū)域。

常量池主要存放兩類(lèi)常量：字面量和符號(hào)引用砌些。

字面量指字符串呜投，聲明為final的常量值等；而符號(hào)引用是java編譯后生成的各種常量存璃，其包括：

• 類(lèi)和接口的全限定名
• 成員變量的名稱(chēng)和描述符
• 方法的名稱(chēng)和描述符

jdk1.8之前仑荐，方法區(qū)是用永久代實(shí)現(xiàn)的，
在jdk1.7以下的版本纵东，運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分粘招，而jdk1.7及之后的版本，運(yùn)行時(shí)常量池中的字符串常量池已經(jīng)不在方法區(qū)偎球，而是在java堆中開(kāi)辟了一塊區(qū)域作為字符串常量池洒扎。

在jdk1.8開(kāi)始辑甜，已經(jīng)沒(méi)有永久代的概念，譬如符號(hào)引用(Symbols)轉(zhuǎn)移到了native 堆中的元空間袍冷；字面量也在 java heap磷醋；類(lèi)的靜態(tài)變量(class statics)轉(zhuǎn)移到了java heap

擴(kuò)展2：常量是否只能在編譯期產(chǎn)生？
否胡诗，運(yùn)行期也可能將新的常量放入運(yùn)行時(shí)常量池中邓线，比如String的intern方法。在jdk1.7的表現(xiàn)如下：

// 如果運(yùn)行時(shí)常量池中煌恢，存在"10"這個(gè)字符串常量
// 則將常量池中的字符串對(duì)象返回骇陈，
// 如果不存在，則直接在運(yùn)行時(shí)常量池中創(chuàng)建“10"這個(gè)字符串瑰抵，并將其返回你雌。
String s = String.valueOf(10).intern();

直接內(nèi)存

前面講的幾塊都屬于虛擬機(jī)管理的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域，java程序中也有可能會(huì)用到不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域的一部分谍憔。這塊內(nèi)存我們通常稱(chēng)為直接內(nèi)存

• 直接內(nèi)存不受java堆大小的限制匪蝙，但是受本機(jī)物理內(nèi)存的限制主籍。

• 直接內(nèi)存也可能導(dǎo)致出現(xiàn)OutOfMemoryError異常习贫。

直接內(nèi)存的例子：
jdk 1.4 加入的NIO類(lèi)，引入了一種基于通道Channel和緩沖區(qū)Buffer的IO方式千元。直接通過(guò)Native方法在java堆外的直接內(nèi)存中分配內(nèi)存, 通過(guò)存儲(chǔ)在java堆中的DirectByteBuffer對(duì)象作為這塊直接內(nèi)存的引用苫昌。操作DirectByteBuffer即可操作直接內(nèi)存，這樣做的好處是避免了要使用直接內(nèi)存的時(shí)候需要先復(fù)制到j(luò)ava堆中幸海。直接操作直接內(nèi)存更加高效祟身。

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