深入Java虛擬機器——JVM記憶體詳解

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在C++中，程式員擁有每一個對象的所有權，但與此同時還肩負著釋放對象記憶體空間的責任；而Java由於有了虛擬機器的協助，程式員擁有對象的所有權的同時不再需要釋放對象的記憶體空間。由於是JVM自動進行對象記憶體的釋放，所以記憶體流失和記憶體溢出的問題也很少出現。

Java虛擬機器在運行時將記憶體空間分成5個部分，分別是：方法區、虛擬機器棧、本地方法棧、堆、程式計數器。

程式計數器

• 本質
  程式計數器本質上是一塊較小的記憶體空間。

• 作用
  可以把程式計數器簡單地看作是當前線程所執行的位元組碼的行號指標。
  位元組碼解譯器在工作時，通過改變程式計數器的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令。
  除此之外，程式的分支、迴圈、跳轉、異常處理、線程恢複等準系統都需要依賴程式計數器來完成。

• 特性
  程式計數器是一個個線程私人記憶體。每個線程都私人一個程式計數器，用來記錄線程當前執行的位置，好讓線程恢複執行的時候知道上一次執行的位置。所以各個線程之間的計數器相互獨立，互補影響。
  若線程正在執行的是一個Java方法，那麼當前線程的程式計數器記錄的是正在執行的虛擬機器位元組碼指令的地址；若線程正在執行的是一個Native方法，則這個計數器值為空白。
  PS：Native方法是指不使用Java語言寫的方法，或者是使用Java語言寫的直接操控電腦硬體的方法。

Java虛擬機器棧

• 是什嗎？
  JVM棧是用來描述Java方法執行過程的一個記憶體模型。
  JVM棧中存放著一個個棧幀，每個棧幀都對應著一個Java方法。
  當一個Java方法被執行時，JVM會在JVM棧中建立一個棧幀，用於儲存：局部變數表、運算元棧、動態連結、方法出口等資訊。
  每一個Java方法被調用到執行完成的過程，都對應著一個個棧幀在JVM棧中的入棧和出棧。

• 特性
  JVM棧是線程私人的，每一個線程擁有一個獨立的JVM棧，這個線程中所要執行的方法就會在它所對應的JVM棧中建立棧幀。

• 通常所說的“堆“和“棧“
  有人把JVM所使用的記憶體分為棧記憶體和堆記憶體，這種分法比較粗糙。
  這種分法中所說的“棧“其實僅僅是JVM棧中一個個棧幀中的局部變數表。

• 棧幀中的局部變數表
  局部變數表中存放著編譯時間期可知的各種基礎資料型別 (Elementary Data Type)、對象引用、returnAddress類型。
  局部變數表所需的記憶體空間在編譯時間期完成分配，一個方法所需分配多大的局部變數表是完全確定的，局部變數表的大小在程式運行時不會改變。
  PS：對象引用也叫做reference類型，它的本質是一個地址，並不是對象本身，不同的虛擬機器這個地址指向的內容也不一樣；這個指標可能指向一個對象的起始地址，也可能指向一個代表對象的控制代碼。
  PS：returnAddress類型本質上是一個地址，這個地址指向一條位元組碼執行。

• Java虛擬機器棧可能可能產生的異常
  若線程請求的棧深度大於虛擬機器所允許的最大深度，就拋出StackOverFlow異常；
  若虛擬機器棧可以動態擴充，沒有最大深度的限制，當記憶體已經用完，無法再擴充棧深度時，就拋出OutOfMemory異常。

本地方法棧

本地方法棧的特性和JVM棧的特性幾乎一樣，只不過JVM棧中存放的是Java方法的相關資訊，而本地方法棧中存放的是本地方法的相關資訊。
本地方法棧也會拋出OutOfMemoryError和StackOverFlow異常。

堆

• 是什嗎？
  堆記憶體的唯一目的就是存放所有的對象執行個體。

• 特性
  堆記憶體是Java虛擬機器所需要的記憶體中最大的一塊記憶體。
  它是被所有線程共用的一塊記憶體地區。
  堆記憶體物理上不一定要連續，只需要邏輯上連續即可。

• 堆與記憶體回收的關係？
  堆記憶體是記憶體回收的主要區域，所以也被稱為GC堆。

• 堆可能拋出的異常
  若堆中的執行個體都是有用的，並且記憶體已經用完時，就會發生OutOfMemoryError異常。

方法區

• 是什嗎？
  方法區也是JVM需要使用的一塊記憶體地區，它用來儲存已經被JVM載入的類的資訊、常量、靜態變數、編譯後的代碼等資料。

• 特性
  方法區和堆一樣是各個線程共用的記憶體地區。
  它在物理上不需要連續的記憶體空間。
  方法區的大小可以固定，也可以可擴充。
  方法區可以不實現垃圾收集。

• 可以不實現垃圾收集，那麼方法區中的資料就永久存在嗎？
  不是的。方法區中的垃圾收集行為比較少見，但並非資料進入方法區就永久存在了。
  方法區的記憶體回收的主要目標是對常量池的回收和對類型的卸載。

• 方法區可能拋出的異常
  當方法區無法滿足記憶體配置需求的時候就拋出OutOfMemoryError異常。

• 運行時常量池
  a）是什嗎？
  運行時常量池是方法區的一部分。
  我們知道，.java檔案被編譯之後產生的.class檔案中除了包含：類的版本、欄位、方法、介面等資訊外，還有一項就是常量池，常量池中存放編譯時間期產生的各種字面量和符號引用，.class檔案中的常量池中的所有的內容在類被載入後存放到方法區的運行時常量池中。
  PS：int age = 21;//age是一個變數，可以被賦值；21就是一個字面值常量，不能被賦值；
  int final pai = 3.14;//pai就是一個符號常量，一旦被賦值之後就不能被修改。

  b）特性
  .class檔案中的常量池具有動態性。Java並不要求常量只能在編譯時間候產生，在運行時就不能增加了；Java允許在運行期間將新的常量放入方法區的運行時常量池中。
  Java中String類中的intern方法就是採用了運行時常量池的動態性。當調用 intern 方法時，如果池已經包含一個等於此 String 對象的字串，則返回池中的字串。否則，將此 String 對象添加到池中，並返回此 String 對象的引用。

  c）可能拋出的異常
  運行時常量池是方法區的一部分，所以會受到方法區記憶體的限制，因此當常量池無法再申請到記憶體時就會拋出OutOfMemoryError異常。

直接記憶體

直接記憶體不是JVM規範中定義的記憶體地區，但在JVM的實際運行過程中會頻繁地使用這塊地區。而且也會導致OutOfMemoryError異常。
在JDK 1.4中新加入了NIO=New Input／Output類，引入了一種基於通道和緩衝區的IO方式，它可以使用本地函數直接分配堆外記憶體，然後通過一個儲存在堆裡的DirectByteBuffer對象作為這塊記憶體的引用來操作堆外記憶體中的資料。這樣能在一些情境中顯著提升效能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回複製資料。
直接記憶體不受Java堆大小的限制，但仍然受本機總記憶體的限制。

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