Java內(nèi)存管理：深入Java內(nèi)存區(qū)域

　　Java與C++之間有一堵由內(nèi)存動態(tài)分配和垃圾收集技術(shù)所圍成的高墻，墻外面的人想進(jìn)去，墻里面的人卻想出來。

　　概述：

　　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。根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范（第2版）》的規(guī)

定，Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存將會包括以下幾個運行時數(shù)據(jù)區(qū)域，如下圖所示：

　　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弥羔槪部赡苤赶蛞粋€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)棧可以動態(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。

　　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。在本章中，我們僅僅針對內(nèi)存區(qū)

域的作用進(jìn)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(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。但對于

　　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。

　　對象訪問

　　介紹完Java虛擬機(jī)的運行時數(shù)據(jù)區(qū)之后，我們就可以來探討一個問題：在Java語言中，對象訪問是如何進(jìn)行的？對象訪問在Java語言中無處不在，是最普通的程

序行為，但即使是最簡單的訪問，也會卻涉及Java棧、Java堆、方法區(qū)這三個最重要內(nèi)存區(qū)域之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如下面的這句代碼：

　　　　　　　　　　Object obj = new Object();

假設(shè)這句代碼出現(xiàn)在方法體中，那“Object obj”這部分的語義將會反映到Java棧的本地變量表中，作為一個reference類型數(shù)據(jù)出現(xiàn)。而“new Object()”這部分的語

義將會反映到Java堆中，形成一塊存儲了Object類型所有實例數(shù)據(jù)值（Instance Data，對象中各個實例字段的數(shù)據(jù)）的結(jié)構(gòu)化內(nèi)存，根據(jù)具體類型以及虛擬機(jī)實現(xiàn)

的對象內(nèi)存布局（Object Memory Layout）的不同，這塊內(nèi)存的長度是不固定的。另外，在Java堆中還必須包含能查找到此對象類型數(shù)據(jù)（如對象類型、父類、實

現(xiàn)的接口、方法等）的地址信息，這些類型數(shù)據(jù)則存儲在方法區(qū)中。

　　由于reference類型在Java虛擬機(jī)規(guī)范里面只規(guī)定了一個指向?qū)ο蟮囊茫]有定義這個引用應(yīng)該通過哪種方式去定位，以及訪問到Java堆中的對

象的具體位置，因此不同虛擬機(jī)實現(xiàn)的對象訪問方式會有所不同，主流的訪問方式有兩種：使用句柄和直接指針。 如果使用句柄訪問方式，Java堆中將會

劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數(shù)據(jù)和類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息，如下圖所示：

　　如果使用的是直接指針訪問方式，Java 堆對象的布局中就必須考慮如何放置訪問類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，reference中直接存儲的就是對象地址，如下

圖所示：

　　這兩種對象的訪問方式各有優(yōu)勢，使用句柄訪問方式的最大好處就是reference中存儲的是穩(wěn)定的句柄地址，在對象被移動（垃圾收集時移動對象是非

常普遍的行為）時只會改變句柄中的實例數(shù)據(jù)指針，而reference本身不需要被修改。使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節(jié)省了一次指針

定位的時間開銷，由于對象的訪問在Java中非常頻繁，因此這類開銷積少成多后也是一項非常可觀的執(zhí)行成本。就本書討論的主要虛擬機(jī)Sun HotSpot而

言，它是使用第二種方式進(jìn)行對象訪問的，但從整個軟件開發(fā)的范圍來看，各種語言和框架使用句柄來訪問的情況也十分常見。