【深入Java虛擬機（1）】：Java內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出-編程開發(fā)技術

1、【深入java虛擬機（1）】： java內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出編程 開發(fā)技術【深入java虛擬機（1）】： java內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出原文岀處：蘭亭風雨內(nèi)存區(qū)域java虛擬機在執(zhí)行java程序的過程中會把他所管理的內(nèi)存劃分為若干個不同的 數(shù)據(jù)區(qū)域。java虛擬機規(guī)范將jvm所管理的內(nèi)存分為以下幾個運行時數(shù)據(jù)區(qū)： 程序計數(shù)器、java虛擬機棧、本地方法棧、java堆、方法區(qū)。下而詳細闡述齊 數(shù)據(jù)區(qū)所存儲的數(shù)據(jù)類型。程序計數(shù)器(program?counter?register)一塊較小的內(nèi)存空間，它是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器，字節(jié)碼解釋 器工作時通過改變該計數(shù)器的值來選擇下一條需要執(zhí)行的字節(jié)

2、碼指令，分支、跳 轉、循環(huán)等基礎功能都要依賴它來實現(xiàn)。每條線程都有一個獨立的的程序計數(shù)器, 各線程間的計數(shù)器互不影響，因此該區(qū)域是線程私有的。當線程在執(zhí)行一個java方法時，該計數(shù)器記錄的是止在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指 令的地址，當線程在執(zhí)行的是native方法（調用本地操作系統(tǒng)方法）時，該計 數(shù)器的值為空。另外，該內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在java虛擬機規(guī)范中么有規(guī)定任 何00m （內(nèi)存溢出：outofmemoryerror）情況的區(qū)域。java 虛擬機棧(java?virtual?machine?stacks ) 該區(qū)域也是線程私有的，它的生命周期也與線程相同。虛擬機棧描述的是j3v3 方法執(zhí)行的內(nèi)

3、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，棧它是用 于支持續(xù)虛擬機進行方法調用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結構。對于執(zhí)行引擎來講，活動 線程屮，只有棧頂?shù)臈怯行У?，稱為當前棧幀，這個棧幀所關聯(lián)的方法稱為 當前方法，執(zhí)行引擎所運行的所有字節(jié)碼指令都只針對當前棧幀進行操作。棧幀 用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法返回地址和一些額外的附加信 息。在編譯程序代碼時，棧幀屮需要多大的局部變量表、多深的操作數(shù)棧都已經(jīng) 完全確定了，并口寫入了方法表的code屬性之中。因此，一個棧幀需要分配多 少內(nèi)存，不會受到程序運行期變量數(shù)據(jù)的影響，而僅僅取決于具體的虛擬機實現(xiàn)。在java虛擬機規(guī)范中，對這個區(qū)域

4、規(guī)定了兩種異常情況：1、如杲線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出 stackoverf lowerror 異常。2、如果虛擬機在動態(tài)擴展棧時無法中請到足夠的內(nèi)存空間，則拋出out of memory err or 異常。這兩種情況存在著一些互相重疊的地方：當?？臻g無法繼續(xù)分配時，到底是內(nèi)存 太小，述是已使用的?？臻g太大，其本質上只是對同一件事情的兩種描述而已。 在單線程的操作屮，無論是由于棧幀太大，還是虛擬機?？臻g太小，當?？臻g無 法分配時，虛擬機拋出的都是stackoverf lowerror異常，而不會得到 outormemoryerror異彳f。而在多線程環(huán)境下，則會拋出out

5、ofmemoryerror異常。下面詳細說明棧幀中所存放的各部分信息的作用和數(shù)據(jù)結構。1、局部變量表局部變量表是一組變量值存儲空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變 量，其中存放的數(shù)據(jù)的類型是編譯期可知的各種基木數(shù)據(jù)類型、對象引用（reference）和returnaddress類型（它指向了條字節(jié)碼指令的地址）。局 部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，即在java程序被編譯成class 文件時，就確定了所需分配的最大局部變量表的容量。當進入一個方法時，這個 方法需要在棧屮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。局部變量表的容量以變量槽（slo

6、t）為最小單位。在虛擬機規(guī)范屮并沒有明確指 明一個slot應占用的內(nèi)存空間大?。ㄔ试S其隨著處理器、操作系統(tǒng)或虛擬機的 不同而發(fā)生變化），一個slot可以存放一個32位以內(nèi)的數(shù)據(jù)類型：boolean, byte、 char> short> int、 float、 referenee 和 returnaddresss。 referenee 是對彖的引用類型，returnaddress是為字節(jié)指令服務的，它執(zhí)行了一條字節(jié)碼 指令的地址。對于64位的數(shù)據(jù)類型（long和double）,虛擬機會以高位在前的 方式為其分配兩個連續(xù)的slot空間。虛擬機通過索引定位的方式使用局部變量表，索引值的

7、范圍是從0開始到局部變 量表最大的slot數(shù)量，對于32位數(shù)據(jù)類型的變量，索引n代表第n個slot, 對于64位的,索引n代表第n和第n+1兩個slot。在方法執(zhí)行時，虛擬機是使用同部變量表來完成參數(shù)值到參數(shù)變量列表的傳遞過 程的，如果是實例方法（非static）,則局部變量表中的第0位索引的slot默 認是用于傳遞方法所屈對彖實例的引用，在方法屮可以通過關鍵字“this”來訪 問這個隱含的參數(shù)。其余參數(shù)則按照參數(shù)表的順序來排列，占用從1開始的局部 變量slot,參數(shù)表分配完畢后，再根據(jù)方法體內(nèi)部定義的變量順序和作用域分 配其余的sloto局部變量表中的slot是可重用的，方法體中定義的變量，

8、作用域并不一定會覆 蓋整個方法體，如果當前字節(jié)碼pc計數(shù)器的值已經(jīng)超過了某個變量的作用域， 那么這個變量對應的slot就可以交給其他變量使用。這樣的設計不僅僅是為了 節(jié)省空間，在某些情況下slot的復用會直接影響到系統(tǒng)的而垃圾收集行為。2、操作數(shù)棧操作數(shù)棧又常被稱為操作棧，操作數(shù)棧的最人深度也是在編譯的時候就確定了。 32位數(shù)據(jù)類型所占的棧容量為1, 64為數(shù)據(jù)類型所占的棧容量為2。當一個方法 開始執(zhí)行時，它的操作棧是空的，在方法的執(zhí)行過程屮，會右各種字節(jié)碼指令（比 如：加操作、賦值元算等）向操作棧中寫入和提取內(nèi)容，也就是入棧和出棧操作。java虛擬機的解釋執(zhí)行引擎稱為“基于棧的執(zhí)行引擎”，其

9、小所指的“?！本?是操作數(shù)棧。因此我們也稱java虛擬機是基于棧的，這點不同于android虛擬 機，android虛擬機是基于寄存器的?；跅５闹噶罴钪饕膬?yōu)點是可移植性強，主要的缺點是執(zhí)行速度相對會慢 些；而由于寄存器由碩件直接提供，所以基于寄存器指令集最主要的優(yōu)點是執(zhí)行 速度快，主要的缺點是可移植性差。3、動態(tài)連接每個棧幀都包含一個指向運行時常量池（在方法區(qū)中，后面介紹）中該棧幀所屬 方法的引用，持冇這個引用是為了支持方法調用過程屮的動態(tài)連接。class文件 的常量池中存在有大量的符號引用，字節(jié)碼中的方法調用指令就以常量池中指向 方法的符號引用為參數(shù)。這些符號引用，一部分會在類加載階段

10、或第一次使用的 時候轉化為直接引用（如final、static域等），稱為靜態(tài)解析，另一部分將在 每一次的運行期間轉化為直接引用，這部分稱為動態(tài)連接。4、方法返回地址當一個方法被執(zhí)行后，有兩種方式退出該方法：執(zhí)行引擎遇到了任意一個方法返 回的字節(jié)碼指令或遇到了異常，并冃該異常沒有在方法體內(nèi)得到處理。無論采用 何種退出方式，在方法退出之后，都需要返冋到方法被調用的位置，程序才能繼 續(xù)執(zhí)行。方法返回時可能需要在棧幀中保存一些信息，用來幫助恢復它的上層方 法的執(zhí)行狀態(tài)。一般來說，方法正常退出時，調用者的pc計數(shù)器的值就可以作 為返冋地址，棧幀中很可能保存了這個計數(shù)器值，而方法異常退出時，返冋地址 是

11、要通過異常處理器來確定的，棧幀屮一般不會保存這部分信息。方法退出的過程實際上等同于把當前棧幀出站，因此退出時可能執(zhí)行的操作有： 恢復上層方法的局部變量表和操作數(shù)棧，如果有返回值，則把它壓入調用者棧幀 的操作數(shù)棧中，調整pc計數(shù)器的值以指向方法調用指令后面的一條指令。本地方法棧(native?method?stacks)該區(qū)域與虛擬機棧所發(fā)揮的作用非常相似，只是虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行java方 法服務，而木地方法棧則為使用到的木地操作系統(tǒng)(native)方法服務。java堆(java?heap)java?heap是java虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊，它是所有線程共享的一 塊內(nèi)存區(qū)域。幾乎所有的

12、對象實例和數(shù)組都在這類分配內(nèi)存。java?heap是垃圾 收集器管理的主要區(qū)域，因此很多吋候也被稱為“gc堆”。根據(jù)java虛擬機規(guī)范的規(guī)定，java堆可以處在物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只 要邏輯上是連續(xù)的即可。如果在堆屮沒冇內(nèi)存可分配時，并月堆也無法擴展時， 將會拋111 outofmemoryerror 異常。方法區(qū)(method?area)方法區(qū)也是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲已經(jīng)被虛擬機加載的類信息、 常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。方法區(qū)域又被稱為“永久 代”,但這僅僅對j' sun hotspot來講，jrockit和ibm j9虛擬機中并不存在 永久代

13、的概念。java虛擬機規(guī)范把方法區(qū)描述為java堆的一個邏輯部分，而口 它和java?heap 樣不需要連續(xù)的內(nèi)存，可以選擇固定大小或可擴展，另夕卜，虛 擬機規(guī)范允許該區(qū)域可以選擇不實現(xiàn)垃圾回收。相對而言，垃圾收集行為在這個 區(qū)域比較少出現(xiàn)。該區(qū)域的內(nèi)存回收目標主耍針是對廢棄常量的和無用類的回 收。運行時常量池是方法區(qū)的一部分，class文件中除了冇類的版本、字段、方 法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池(class文件常量池)，用于存 放編譯器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) 的運行吋常量池中。運行時常量池相對于class文件常量池的另一個重要特征是 具備

14、動態(tài)性，java語言并不要求常量一定只能在編譯期產(chǎn)生，也就是并非預置 入class文件屮的常量池的內(nèi)容才能進入方法區(qū)的運行時常量池，運行期間也可 能將新的常量放入池中，這種特性被開發(fā)人員利用比較多的是string類的 intern ()方法。根據(jù)java虛擬機規(guī)范的規(guī)定，當方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時，將拋出 outofmemoryerror 異常。直接內(nèi)存(direct memory)直接內(nèi)存并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是java虛擬機規(guī)范中定義 的內(nèi)存區(qū)域，它直接從操作系統(tǒng)中分配，因此不受java堆大小的限制，但是會 受到本機總內(nèi)存的大小及處理器尋址空間的限制，因此它也可能導致

15、outofmcmoryerror異常出現(xiàn)。在jdk1. 4中新引入了 ni0機制，它是一，種基于通 道與緩沖區(qū)的新1/0方式，可以直接從操作系統(tǒng)屮分配直接內(nèi)存，即在堆外分配 內(nèi)存，這樣能在一些場景中提高性能，因為避免了在java堆和native堆中來回 復制數(shù)據(jù)。關丁 ni0的詳細使用可以參考我的java網(wǎng)絡編程系列中關于ni0的 相關文章。內(nèi)存溢出下面給出個內(nèi)存區(qū)域內(nèi)存溢出的簡單測試方法內(nèi)存區(qū)域內(nèi)存溢出的測試方法java 堆無限循環(huán)地n卵對象出來，在l“t中保存引用，以不被垃圾收集器回 收。另外，該區(qū)域也有可能會發(fā)生內(nèi)存泄露(memory leak), 出現(xiàn)間題時，要注意區(qū)別。方法區(qū)生成大壘

16、的動態(tài)類，或無線循環(huán)調用string的intern ()方法產(chǎn)生不 同的string對象實例，并在list中保存其引用，以不被垃圾收集器回 收。后者測試常壘池，前者測試方法區(qū)的非常壘池部分。虛擬機棧和 本地方法棧單線程多線程翅歸調用一個簡單的方法： 如不斷累積的方法。會拋出 stackoverf lowerrorv*vw*v*v*v*v*vvv/v*v*v*v*v*v*v*v*v*無線循環(huán)地創(chuàng)建線程，芥未每個線 程無限循環(huán)地増加內(nèi)存。會拋出 outof m einoryerr or這里冇一點要重點說明，在多線程情況下，給每個線程的棧分配的內(nèi)存越大，反 而越容易產(chǎn)生內(nèi)存溢出異常。操作系統(tǒng)為每個進

17、程分配的內(nèi)存是冇限制的，虛擬 機提供了參數(shù)來控制java堆和方法區(qū)這兩部分內(nèi)存的最大值，忽略掉程序計數(shù) 器消耗的內(nèi)存(很小)，以及進程木身消耗的內(nèi)存，剩下的內(nèi)存便給了虛擬機棧 和本地方法棧，每個線程分配到的棧容量越人，可以建立的線程數(shù)量自然就越少。 因此，如杲是建立過多的線程導致的內(nèi)存溢出，在不能減少線程數(shù)的情況廠就 只能通過減少最大堆和每個線程的棧容量來換取更多的線程。另外，由于java堆內(nèi)也可能發(fā)生內(nèi)存泄露(iemory leak),這里簡要說明一下 內(nèi)存泄露和內(nèi)存溢出的區(qū)別： 內(nèi)存泄露是指分配出去的內(nèi)存沒有被冋收冋來，由于失去了對該內(nèi)存區(qū)域的控 制，因而造成了資源的浪費。jqvqm般不會

18、產(chǎn)生內(nèi)存泄露，因為有垃圾回收 器自動回收垃圾，但這也不絕對，當我們new t對象，并保存了其引用，但是后 面一直沒用它，而垃圾回收器乂不會去回收它，這邊會造成內(nèi)存泄露，內(nèi)存溢出是指程序所需要的內(nèi)存超出了系統(tǒng)所能分配的內(nèi)存(包括動態(tài)擴展)的 上限。對象實例化分析? ?對內(nèi)存分配情況分析最常見的示例便是對象實例化：object obj = new object();這段代碼的執(zhí)行會涉及java棧、java堆、方法區(qū)三個最重要的內(nèi)存區(qū)域。假設 該語句出現(xiàn)在方法體中，及時對jvm虛擬機不了解的java使用這，應該也知道 obj會作為引用類型(reference)的數(shù)據(jù)保存在java棧的本地變量表中，而會 在java堆中保存該引用的實例化對象，但町能并不知道，java堆中還必須包含 能查找到此對象類型數(shù)據(jù)的地址信息(如對象類型、父類、實現(xiàn)的接口、方法等)， 這些類型數(shù)據(jù)則保存在方法區(qū)中o另外，由于reference類型在java虛擬機規(guī)范里面只規(guī)定了一個指向對彖的引 用，并沒有定義這個引用應該通過哪種方