Java內(nèi)存區(qū)域分配、Java虛擬機(jī)棧、對象的訪問方式和GC - 全文

對于從事C和C++程序開發(fā)的開發(fā)人員來說，在內(nèi)存管理領(lǐng)域，他們既是擁有最高權(quán)力的皇帝，又是從事最基礎(chǔ)工作的勞動人民—既擁有每

一個對象的“所有權(quán)”，又擔(dān)負(fù)著每一個對象生命開始到終結(jié)的維護(hù)責(zé)任。

對于Java程序員來說，在虛擬機(jī)的自動內(nèi)存管理機(jī)制的幫助下，不再需要為每一個new操作去寫配對的delete/free代碼，而且不容易出現(xiàn)

內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問題，看起來由虛擬機(jī)管理內(nèi)存一切都很美好。不過，也正是因為Java程序員把內(nèi)存控制的權(quán)力交給了Java虛擬機(jī)，一旦

出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和溢出方面的問題，如果不了解虛擬機(jī)是怎樣使用內(nèi)存的，那排查錯誤將會成為一項異常艱難的工作。

運行時數(shù)據(jù)區(qū)域

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過程中會把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。這些區(qū)域都有各自的用途，以及創(chuàng)建和銷毀的時

間，有的區(qū)域隨著虛擬機(jī)進(jìn)程的啟動而存在，有些區(qū)域則是依賴用戶線程的啟動和結(jié)束而建立和銷毀。

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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(jī)的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機(jī)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(jī)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)器互不影響，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(jī)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(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

Java虛擬機(jī)棧

與程序計數(shù)器一樣，Java虛擬機(jī)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(jī)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）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(jī)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(jī)棧，或者說是虛擬機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機(jī)?？梢詣討B(tài)擴(kuò)展（當(dāng)前大部分的Java虛擬機(jī)都可動態(tài)擴(kuò)展，只不過Java虛擬機(jī)規(guī)范中也允許固定長度的虛擬機(jī)棧），當(dāng)擴(kuò)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(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)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(jī)使用到的Native方法服務(wù)。虛擬機(jī)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(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)（譬如Sun HotSpot虛擬機(jī)）直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。與虛擬機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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，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。

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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”（Garbage Collected 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 Local Allocation 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(jìn)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。根據(jù)Java虛擬機(jī)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(kuò)展的，不過當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)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(kuò)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的設(shè)計團(tuán)隊選擇把GC分代收集擴(kuò)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(jī)（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(jī)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(jī)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(kuò)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(jìn)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(jī)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(jī)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 Pool Table），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(jī)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(jī)認(rèn)可、裝載和執(zhí)行。但對運行時常量池，Java虛擬機(jī)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(jī)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。?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(jìn)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。

Java對象的訪問方式

一般來說，一個Java的引用訪問涉及到3個內(nèi)存區(qū)域：JVM棧，堆，方法區(qū)。

以最簡單的本地變量引用：Object obj = new Object()為例：

Object obj表示一個本地引用，存儲在JVM棧的本地變量表中，表示一個reference類型數(shù)據(jù)；

new Object()作為實例對象數(shù)據(jù)存儲在堆中；

堆中還記錄了Object類的類型信息（接口、方法、field、對象類型等）的地址，這些地址所執(zhí)行的數(shù)據(jù)存儲在方法區(qū)中；

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，對于通過reference類型引用訪問具體對象的方式并未做規(guī)定，目前主流的實現(xiàn)方式主要有兩種：

1，通過句柄訪問。通過句柄訪問的實現(xiàn)方式中，JVM堆中會專門有一塊區(qū)域用來作為句柄池，存儲相關(guān)句柄所執(zhí)行的實例數(shù)據(jù)地址（包括在堆中地址和在方法區(qū)中的地址）。這種實現(xiàn)方法由于用句柄表示地址，因此十分穩(wěn)定。

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2，通過直接指針訪問。通過直接指針訪問的方式中，reference中存儲的就是對象在堆中的實際地址，在堆中存儲的對象信息中包含了在方法區(qū)中的相應(yīng)類型數(shù)據(jù)。這種方法最大的優(yōu)勢是速度快，在HotSpot虛擬機(jī)中用的就是這種方式。

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判斷一個對象是否存活?(或者GC對象的判定方法)

判斷一個對象是否存活有兩種方法:

1. 引用計數(shù)法

所謂引用計數(shù)法就是給每一個對象設(shè)置一個引用計數(shù)器，每當(dāng)有一個地方引用這個對象時，就將計數(shù)器加一，引用失效時，計數(shù)器就減一。當(dāng)一個對象的引用計數(shù)器為零時，說明此對象沒有被引用，也就是“死對象”,將會被垃圾回收.

引用計數(shù)法有一個缺陷就是無法解決循環(huán)引用問題，也就是說當(dāng)對象A引用對象B，對象B又引用者對象A，那么此時A,B對象的引用計數(shù)器都不為零，也就造成無法完成垃圾回收，所以主流的虛擬機(jī)都沒有采用這種算法。

2.可達(dá)性算法(引用鏈法)

該算法的思想是：從一個被稱為GC Roots的對象開始向下搜索，如果一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，則說明此對象不可用。

在java中可以作為GC Roots的對象有以下幾種:

虛擬機(jī)棧中引用的對象

方法區(qū)類靜態(tài)屬性引用的對象

方法區(qū)常量池引用的對象

本地方法棧JNI引用的對象

java中垃圾收集的方法有哪些?

標(biāo)記-清除:

這是垃圾收集算法中最基礎(chǔ)的，根據(jù)名字就可以知道，它的思想就是標(biāo)記哪些要被回收的對象，然后統(tǒng)一回收。這種方法很簡單，但是會有兩個主要問題：

1.效率不高，標(biāo)記和清除的效率都很低；

2.會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，導(dǎo)致以后程序在分配較大的對象時，由于沒有充足的連續(xù)內(nèi)存而提前觸發(fā)一次GC動作。

復(fù)制算法:

為了解決效率問題，復(fù)制算法將可用內(nèi)存按容量劃分為相等的兩部分，然后每次只使用其中的一塊，當(dāng)一塊內(nèi)存用完時，就將還存活的對象復(fù)制到第二塊內(nèi)存上，然后一次性清除完第一塊內(nèi)存，再將第二塊上的對象復(fù)制到第一塊。但是這種方式，內(nèi)存的代價太高，每次基本上都要浪費一般的內(nèi)存。

于是將該算法進(jìn)行了改進(jìn)，內(nèi)存區(qū)域不再是按照1：1去劃分，而是將內(nèi)存劃分為8:1:1三部分，較大那份內(nèi)存為Eden區(qū)，其余是兩塊較小的內(nèi)存區(qū)叫Survior區(qū)。每次都會優(yōu)先使用Eden區(qū)，若Eden區(qū)滿，就將對象復(fù)制到第二塊內(nèi)存區(qū)上，然后清除Eden區(qū)，如果此時存活的對象太多，以至于Survivor不夠時，會將這些對象通過分配擔(dān)保機(jī)制復(fù)制到老年代中。(java堆又分為新生代和老年代)

標(biāo)記-整理

該算法主要是為了解決標(biāo)記-清除，產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片的問題；當(dāng)對象存活率較高時，也解決了復(fù)制算法的效率問題。它的不同之處就是在清除對象的時候現(xiàn)將可回收對象移動到一端，然后清除掉端邊界以外的對象，這樣就不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片了。

分代收集?

現(xiàn)在的虛擬機(jī)垃圾收集大多采用這種方式，它根據(jù)對象的生存周期，將堆分為新生代和老年代。在新生代中，由于對象生存期短，每次回收都會有大量對象死去，那么這時就采用復(fù)制算法。老年代里的對象存活率較高，沒有額外的空間進(jìn)行分配擔(dān)保，所以可以使用標(biāo)記-整理 或者 標(biāo)記-清除。