JVM內(nèi)存分配過(guò)程與原理詳解(雷驚風(fēng))

1、JVM內(nèi)存分配過(guò)程與原理解析之前對(duì)java虛擬機(jī)對(duì)于內(nèi)存的分配與管理不是很了解，這段時(shí)間工作不是很忙，想借此機(jī)會(huì)深入的了解一下，在網(wǎng)上看了很多文章，對(duì)其詳情也有了一定的認(rèn)識(shí)，但是只是看看肯定是不行的，為了加深印象同時(shí)使自己能夠理解的更深刻，我決定寫(xiě)這篇文章，同時(shí)希望對(duì)大家也有一定的幫助。文章里引用了其他前輩的一些資源，在這里表示感謝，那么我們就先從內(nèi)存區(qū)域說(shuō)起吧！1 內(nèi)存分區(qū)。首先Java程序運(yùn)行Java代碼是發(fā)生在JVM上的，JMV相當(dāng)于是java程序與操作系統(tǒng)的橋梁，JVM具有平臺(tái)無(wú)關(guān)特性，所以java程序便可以在不同的操作系統(tǒng)上運(yùn)行。Java的內(nèi)存分配就是發(fā)生在JVM上的。對(duì)于java的

2、內(nèi)存回收我們并不用像其他有些語(yǔ)言一樣手動(dòng)回收，虛擬機(jī)就幫我們解決了，也正因?yàn)槿绱?，如果我們?xiě)代碼的時(shí)候不注意，很容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏或者內(nèi)存溢出(OOM)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，排查也不是很容易，所以只有了解了java的內(nèi)存機(jī)制，才能更好的處理代碼，優(yōu)化代碼。下邊我們看一下java內(nèi)存的幾個(gè)部分，如下圖：由上圖可知java內(nèi)存共由java堆區(qū)（Heap）、java棧區(qū)（Stack）、方法區(qū)（Method Area）、本地方法棧（Native Method Stack）、程序計(jì)數(shù)器 五部分組成，下面我們一一簡(jiǎn)單的講解一下每一個(gè)區(qū)間的不同作用。1. java堆區(qū) 首先要講的就是我們的java堆，也就是人們常說(shuō)

3、的堆棧堆棧里邊的堆，通過(guò)上圖可知堆區(qū)是JVM中所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，當(dāng)運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序的時(shí)候就會(huì)初始化一個(gè)相應(yīng)的堆區(qū)，堆區(qū)可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，如果我們需要的內(nèi)存不夠了，并且內(nèi)存不能擴(kuò)展了，那么就會(huì)報(bào)OOM了。引用java虛擬機(jī)規(guī)范中的一段話：所有的對(duì)象實(shí)例和數(shù)據(jù)都要在堆上進(jìn)行分配。比如我們通過(guò)new來(lái)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，創(chuàng)建出來(lái)的對(duì)象只包含屬于各自的成員變量，并不包括成員方法。因?yàn)橥粋€(gè)類型的不同對(duì)象擁有各自的成員變量，存儲(chǔ)在各自的堆中，但是他們共享該類的方法，并不是每創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象就把成員方法復(fù)制一次。給對(duì)象分配內(nèi)存就是把一塊確定大小的從堆內(nèi)存中劃分出來(lái)，一般有兩種方式：指針碰撞法：假設(shè)堆中內(nèi)存是完整的

4、，已分配的內(nèi)存和空閑內(nèi)存分別在不同的一側(cè)，通過(guò)一個(gè)指針作為分界點(diǎn)，需要分配內(nèi)存時(shí)，僅僅需要把指針往空閑的一端移動(dòng)與對(duì)象大小相等的距離。空閑列表法：事實(shí)上，Java堆的內(nèi)存并不是完整的，已分配的內(nèi)存和空閑內(nèi)存相互交錯(cuò)，JVM通過(guò)維護(hù)一個(gè)列表，記錄可用的內(nèi)存塊信息，當(dāng)需要分配內(nèi)存時(shí)，從列表中找到一個(gè)足夠大的內(nèi)存塊分配給對(duì)象實(shí)例，并更新列表上的記錄。然而創(chuàng)建是一個(gè)非常頻繁的行為，進(jìn)行堆內(nèi)存分配時(shí)還需要考慮多線程并發(fā)問(wèn)題，可能出現(xiàn)正在給對(duì)象A分配內(nèi)存，指針或記錄還未更新，對(duì)象B又同時(shí)分配到原來(lái)的內(nèi)存，解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方案：1、采用CAS保證數(shù)據(jù)更新操作的原子性；2、把內(nèi)存分配按照線程進(jìn)行劃分，在不同

5、的空間中進(jìn)行，每個(gè)線程在Java堆中預(yù)先分配一個(gè)內(nèi)存塊，稱為本地線程分配緩沖（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。在堆中分配的內(nèi)存，是由java虛擬機(jī)管理回收的。在堆中產(chǎn)生一個(gè)對(duì)象或數(shù)組，在棧中我們可以寫(xiě)多個(gè)不同的引用變量指向他，那么我們多個(gè)引用相當(dāng)于指向了堆內(nèi)存中的同一個(gè)內(nèi)存地址，那么我們用“=”作比較時(shí)，就會(huì)返回true。我們的引用變量在棧區(qū)中分配，當(dāng)程序執(zhí)行完我們的某個(gè)引用變量時(shí)，我們的引用變量便會(huì)自動(dòng)釋放，而他指向的堆區(qū)的對(duì)象不會(huì)被回收或者說(shuō)不會(huì)被馬上回收，而是在后續(xù)的某個(gè)不確定的時(shí)刻GC去檢查該對(duì)象還有沒(méi)有被引用，如果沒(méi)有被引用才會(huì)回收所占內(nèi)存

6、區(qū)域。這也是java比較占內(nèi)存的一個(gè)原因。2. Java棧區(qū)由上圖可知，棧區(qū)是線程私有的，也就是說(shuō)，每一個(gè)線程都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)自己的棧區(qū)，生命周期也線程相同，棧中只保存基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的對(duì)象和自定義對(duì)象的引用(不是對(duì)象)，也就是指針，對(duì)象都存放在堆區(qū)中，每個(gè)棧中的數(shù)據(jù)(原始類型和對(duì)象引用)都是私有的，其他棧不能訪問(wèn)。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)線程在執(zhí)行一個(gè)方法時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的棧幀（Stack Frame），棧幀負(fù)責(zé)存儲(chǔ)局部變量變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接和方法返回地址等信息。每個(gè)方法的調(diào)用過(guò)程，相當(dāng)于棧幀在Java棧的入棧和出棧過(guò)程。當(dāng)在一段代碼塊定義一個(gè)變量時(shí)，Java就在棧中

7、 為這個(gè)變量分配內(nèi)存空間，當(dāng)該變量退出該作用域后，Java會(huì)自動(dòng)釋放掉為該變量所分配的內(nèi)存空間，該內(nèi)存空間可以立即被另作他用。Java的數(shù)學(xué)計(jì)算是在內(nèi)存棧里操作的。3. 方法區(qū)方法區(qū)也是線程共享的區(qū)域，用于存儲(chǔ)已經(jīng)被虛擬機(jī)加載的類信息，常量，靜態(tài)變量和即時(shí)編譯器（JIT）編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。Java虛擬機(jī)把方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯分區(qū)，不過(guò)方法區(qū)有一個(gè)別名Non-Heap(非堆)，用于區(qū)別于Java堆區(qū)。方法區(qū)包含所有的class和static變量。運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，Class文件中除了有類的版本，字段，方法，接口等信息以外，還有一項(xiàng)信息是常量池用于存儲(chǔ)編譯器生成的各種字面量和符號(hào)

8、引用，這部分信息將在類加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。Java虛擬機(jī)對(duì)類的每一部分（包括常量池）都有嚴(yán)格的規(guī)定，每個(gè)字節(jié)用于存儲(chǔ)哪種數(shù)據(jù)都必須有規(guī)范上的要求，這樣才能夠被虛擬機(jī)認(rèn)可，裝載和執(zhí)行。一般來(lái)說(shuō)，除了保存Class文件中描述的符號(hào)引用外，還會(huì)把翻譯出來(lái)的直接引用也存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)常量池中。運(yùn)行時(shí)常量池相對(duì)于Class文件常量池的另外一個(gè)重要特征是具備動(dòng)態(tài)性，Java虛擬機(jī)并不要求常量只能在編譯期產(chǎn)生，也就是并非預(yù)置入Class文件常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中，運(yùn)行期間也可將新的常量放入常量池中。常量池是方法區(qū)的一部分，所以受到內(nèi)存的限制，當(dāng)無(wú)法申請(qǐng)到足夠內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出Out

9、OfMemoryError異常。4. 本地方法棧本地方法棧和虛擬機(jī)?；绢愃疲徊贿^(guò)Java虛擬機(jī)棧執(zhí)行的是Java代碼（字節(jié)碼），本地方法棧中執(zhí)行的是本地方法的服務(wù)。本地方法棧中也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemory異常。5. 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器是線程私有的，每個(gè)線程都有獨(dú)立的指令計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器記錄著虛擬機(jī)正在執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理和線程恢復(fù)等操作都依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器完成。如果線程執(zhí)行的是native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器則為空。java虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間來(lái)完成，一個(gè)處理器同一時(shí)間只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。為了線

10、程恢復(fù)后能夠恢復(fù)正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，以確保線程之間互不影響。所以程序計(jì)數(shù)器是“線程私有”的內(nèi)存。如果虛擬機(jī)正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，則計(jì)數(shù)器指定的是字節(jié)碼指令對(duì)應(yīng)的地址，如果正在執(zhí)行的是一個(gè)本地方法，則計(jì)數(shù)器指定問(wèn)空undefined。程序計(jì)數(shù)器區(qū)域是Java虛擬機(jī)中唯一沒(méi)有定義OutOfMemory異常的區(qū)域。到這里我們的java內(nèi)存分區(qū)就說(shuō)完了，那么我們從網(wǎng)上摘一個(gè)例子給大家加深一下理解，如下程序代碼：上圖左側(cè)為程序內(nèi)存分部情況，右邊為代碼及執(zhí)行情況，當(dāng)代碼執(zhí)行到右邊代碼紅點(diǎn)處時(shí)，內(nèi)存共進(jìn)行了如下三步操作（就不自己寫(xiě)了，前人總結(jié)的已經(jīng)很好了）：1. JV

11、M自動(dòng)尋找main方法，執(zhí)行第一句代碼，創(chuàng)建一個(gè)Test類的實(shí)例，在棧中分配一塊內(nèi)存，存放一個(gè)指向堆區(qū)對(duì)象的引用變量（指針110925），java中的引用變量就是C語(yǔ)言中指針的一個(gè)包裝，所以引用變量中存放的還是堆內(nèi)存中對(duì)象的地址。2. 創(chuàng)建一個(gè)int型的變量date，由于是基本類型，直接在棧中存放date對(duì)應(yīng)的值9。3. 創(chuàng)建兩個(gè)BirthDate類的實(shí)例d1、d2，在棧中分別存放了對(duì)應(yīng)的指針指向各自的對(duì)象。他們?cè)趯?shí)例化時(shí)調(diào)用了有參數(shù)的構(gòu)造方法，因此對(duì)象中有自定義初始值。 代碼繼續(xù)向下走：調(diào)用test對(duì)象的change1方法，并且以date為參數(shù)。JVM讀到這段代碼時(shí)，檢測(cè)到i是局部變量，因此

12、會(huì)把i放在棧中，并且把date的值賦給i。把1234賦給i。很簡(jiǎn)單的一步。change1方法執(zhí)行完畢，立即釋放局部變量i所占用的?？臻g。調(diào)用test對(duì)象的change2方法，以實(shí)例d1為參數(shù)。JVM檢測(cè)到change2方法中的b參數(shù)為局部變量，立即加入到棧中，由于是引用類型的變量，所以b中保存的是d1中的指針，此時(shí)b和d1指向同一個(gè)堆中的對(duì)象。在b和d1之間傳遞是指針。change2方法中又實(shí)例化了一個(gè)BirthDate對(duì)象，并且賦給b。在內(nèi)部執(zhí)行過(guò)程是：在堆區(qū)new了一個(gè)對(duì)象，并且把該對(duì)象的指針保存在棧中的b對(duì)應(yīng)空間，此時(shí)實(shí)例b不再指向?qū)嵗齞1所指向的對(duì)象，但是實(shí)例d1所指向的對(duì)象并無(wú)變化，

13、這樣無(wú)法對(duì)d1造成任何影響。change2方法執(zhí)行完畢，立即釋放局部引用變量b所占的?？臻g，注意只是釋放了?？臻g，堆空間要等待自動(dòng)回收。調(diào)用test實(shí)例的change3方法，以實(shí)例d2為參數(shù)。同理，JVM會(huì)在棧中為局部引用變量b分配空間，并且把d2中的指針存放在b中，此時(shí)d2和b指向同一個(gè)對(duì)象。再調(diào)用實(shí)例b的setDay方法，其實(shí)就是調(diào)用d2指向的對(duì)象的setDay方法。調(diào)用實(shí)例b的setDay方法會(huì)影響d2，因?yàn)槎咧赶虻氖峭粋€(gè)對(duì)象。change3方法執(zhí)行完畢，立即釋放局部引用變量b。通過(guò)以上一個(gè)在實(shí)際代碼中運(yùn)行的例子，相信大家對(duì)堆棧的內(nèi)存分配有了更加深刻的理解。下邊我們了解一下基本類型和

14、基本類型的包裝類的一寫(xiě)關(guān)于常量池的知識(shí)：基本類型有：byte、short、char、int、long、boolean?；绢愋偷陌b類分別是：Byte、Short、Character、Integer、Long、Boolean。注意區(qū)分大小寫(xiě)。二者的區(qū)別是：基本類型體現(xiàn)在程序中是普通變量，基本類型的包裝類是類，體現(xiàn)在程序中是引用變量。因此二者在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置不同：基本類型存儲(chǔ)在棧中，而基本類型包裝類存儲(chǔ)在堆中。上邊提到的這些包裝類都實(shí)現(xiàn)了常量池技術(shù)，而兩種浮點(diǎn)數(shù)類型的包裝類則沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。另外，String類型也實(shí)現(xiàn)了常量池技術(shù)。舉例幫大家理解：public class tes

15、t       public static void main(String args)               objPoolTest();              public s

16、tatic void objPoolTest()           int i = 40;          int i0 = 40;          Integer i1 = 

17、;40;          Integer i2 = 40;          Integer i3 = 0;          Integer i4 = new Integer(40); 

18、         Integer i5 = new Integer(40);          Integer i6 = new Integer(0);          Double d1=1.0; 

19、0;        Double d2=1.0;            /在java中對(duì)于引用變量來(lái)說(shuō)“=”就是判斷這兩個(gè)引用變量所引用的是不是同一個(gè)對(duì)象        System.out.println("i=i0t" + (i = i0); &

20、#160;        System.out.println("i1=i2t" + (i1 = i2);          System.out.println("i1=i2+i3t" + (i1 = i2 + i3);     

21、;     System.out.println("i4=i5t" + (i4 = i5);          System.out.println("i4=i5+i6t" + (i4 = i5 + i6);        

22、60;     System.out.println("d1=d2t" + (d1=d2);                     System.out.println();          &#

23、160;     運(yùn)行結(jié)果如下：i=i0    true  i1=i2   true  i1=i2+i3        true  i4=i5   false  i4=i5+i6        true

24、0; d1=d2   false分析一下上述結(jié)果：1.i和i0均是普通類型(int)的變量，所以數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在棧中，而棧有一個(gè)很重要的特性：棧中的數(shù)據(jù)可以共享。當(dāng)我們定義了int i = 40;，再定義int i0 = 40;這時(shí)候會(huì)自動(dòng)檢查棧中是否有40這個(gè)數(shù)據(jù)，如果有，i0會(huì)直接指向i的40，不會(huì)再添加一個(gè)新的40。2.i1和i2均是引用類型，在棧中存儲(chǔ)指針，因?yàn)镮nteger是包裝類。由于Integer包裝類實(shí)現(xiàn)了常量池技術(shù)，因此i1、i2的40均是從常量池中獲取的，均指向同一個(gè)地址，因此i1=12。3.很明顯這是一個(gè)加法運(yùn)算，Java的數(shù)學(xué)運(yùn)算都

25、是在棧中進(jìn)行的，Java會(huì)自動(dòng)對(duì)i1、i2進(jìn)行拆箱操作轉(zhuǎn)化成整型，因此i1在數(shù)值上等于i2+i3。4.i4和i5均是引用類型，在棧中存儲(chǔ)指針，因?yàn)镮nteger是包裝類。但是由于他們各自都是new出來(lái)的，因此不再?gòu)某Ａ砍貙ふ覕?shù)據(jù)，而是從堆中各自new一個(gè)對(duì)象，然后各自保存指向?qū)ο蟮闹羔?，所以i4和i5不相等，因?yàn)樗麄兯娴刂凡煌玫降膶?duì)象不同。5.這也是一個(gè)加法運(yùn)算，和3同理。6.d1和d2均是引用類型，在棧中存儲(chǔ)指針，因?yàn)镈ouble是包裝類。但Double包裝類沒(méi)有實(shí)現(xiàn)常量池技術(shù)，因此Doubled1=1.0;相當(dāng)于Double d1=new Double(1.0);，是從堆new一

26、個(gè)對(duì)象，d2同理。因此d1和d2存放的指針不同，指向的對(duì)象不同，所以不相等。注意：1.以上提到的幾種基本類型包裝類均實(shí)現(xiàn)了常量池技術(shù)，但他們維護(hù)的常量?jī)H僅是【-128至127】這個(gè)范圍內(nèi)的常量，如果常量值超過(guò)這個(gè)范圍，就會(huì)從堆中創(chuàng)建對(duì)象，不再?gòu)某Ａ砍刂腥　１热?，把上邊例子改成Integer i1 = 400; Integer i2 = 400;，很明顯超過(guò)了127，無(wú)法從常量池獲取常量，就要從堆中new新的Integer對(duì)象，這時(shí)i1和i2就不相等了。2.String類型也實(shí)現(xiàn)了常量池技術(shù)，但是稍微有點(diǎn)不同。String型是先檢測(cè)常量池中有沒(méi)有對(duì)應(yīng)字符串，如果有，則取出來(lái)；如果沒(méi)有，則把當(dāng)前的

27、添加進(jìn)去。下邊是String的幾個(gè)例子：String a = "a1"   String b = "a" + 1;   System.out.println(a = b); /result = true  String a = "atrue"   String b = "

28、;a" + "true"   System.out.println(a = b); /result = true  String a = "a3.4"   String b = "a" + 3.4;   System.out.println(a = b); /result

29、0;= true 分析：JVM對(duì)于字符串常量的"+"號(hào)連接，將程序編譯期，JVM就將常量字符串的"+"連接優(yōu)化為連接后的值，拿"a" + 1來(lái)說(shuō)，經(jīng)編譯器優(yōu)化后在class中就已經(jīng)是a1。在編譯期其字符串常量的值就確定下來(lái)，故上面程序最終的結(jié)果都為true。String a = "ab"   String bb = "b"   String b = "a" + bb;   System.out.println(a = b); /result = false分析：JVM對(duì)于字符串引用，由于在字符串的"+"連接中，有字符串引用存在，而引用的值在程序