(3) Java内存结构

淩亂°似流年 2022-09-24 14:24 150阅读 0赞

这一部分在我看来讲的都是概念上的东西，实际上各个JVM的结构都不一样，实现很复杂，而且随着时间发展各个区域也不是一成不变的，事实上所谓的区域、结构划分完全是在逻辑上人为划分的，如果有兴趣的话可以查看《深入理解Java虚拟机》以及JVM的说明文档去查看具体内容。

“Java的内存”，即Java的运行时数据区，也就是Java的内存结构（Java Structure），但注意区分Java的内存模型（Java Memory Model，JMM），JMM现在我还没仔细去研究过，有兴趣的同学可以自行百度查看下，如果以后有时间，我也会研究，然后记下自己的理解。

Java的内存结构，可以分为以下几个部分：堆、栈、非堆以及其他。

1.堆：存放Java对象，所有的对象（包括数组，但Class对象除外）数据实际存放地方。堆是程序级别，每一个Java程序共享一个堆（所以存在多线程访问堆内存同步问题）。

2.栈：存的是引用（如果是基本类型，则存的是值），引用（直接或间接）指向堆中的对象。栈是线程级别，每一个线程有各自的栈。栈又分为两种，一是Java方法栈，一是本地方法栈（有的JVM这两者是合在一起的，不过这里还是讨论逻辑上）。另外，每个线程都有各自的程序计数器，也是栈格式的。

（另外，比较疑惑的是，栈是不是堆得一部分呢？用的时候从堆分配出来？还是一开始就分出一部分内存用于栈？新开线程从这一部分分配出来？不过不管怎么样，逻辑上可以看成两个部分）

3.非堆：方法区、常量池、静态变量、即时编译后的代码等（貌似jdk1.7常量池又放在堆中了，逻辑上还是单独拿出来好了），堆与非堆的区别是，堆是供给程序使用，而非堆是供给JVM使用的。（严格来说，栈也是非堆？），因为主要是方法区，这部分又常常被称为方法区，又因为这部分数据不会（应该说很少会）被GC（GC，垃圾对象回收，详见下一节），所以也称为永久代。

jdk8好像有把非堆全部移除的，取而代之的是一个叫元空间，不过这里不详细谈，有兴趣可以参考：[Java 8: 从永久代（PermGen）到元空间（Metaspace）（炎黄）][Java 8_ _PermGen_Metaspace]

4.其他：存放JVM本身代码。

5.另外说一点，直接内存（OS管理的内存一部分），这不是JVM内存的一部分，但在NIO中，引入了一种基于通道和缓冲区的IO方式，Java程序可以通过本地方法的形式直接分配这部分内存，以DirectByteBuffer对象作为引用，间接操作使用。

其具体结构图可以大体概括如下：

![Center][]

堆

堆内存又分为：Old区+ Young区，Young区又划分为：Eden + Survivor，Survivor又划分为：From + To （From 、To 大小相等，这些大小都能手动设置），如下图所示：

![Center 1][]

0).为什么要这样划分？因为性能，每次GC可以按照不同区域GC，加快垃圾回收速度。不过也因此，如果有更好的GC算法，可能划分就不一样了。

1).新建的对象存放到Eden区，From/To存放经过一次及以上GC的对象，若经过n次（可设置，通常为0，这里的0意思是GC检查时是0移到From/To区，并且该值+1，不是0移到Old区），对象每次GC若能存活（每次GC，Eden区清空），移到From/To区，以后都是从From到To再到From跳来跳去，经过n次，变成“老对象”就会被移到Old区。

2).堆是共享空间，每次分配空间要加锁。但是有的JVM会为每个线程分配一个TLAB空间，这样就不用加锁（不过这种仅适用于小对象，大的还是直接分配在堆上）。

3).堆在物理上是可以分散的，只要在逻辑上连续的就可以，大小可以是固定的，也可以是可扩展的，主流的JVM采用的都是可扩展的，可以用-Xmx -Xms控制（详见JVM优化一节）。

4).Old区、Eden区的内存并不一定会被填满，相反，一般情况下，不可能被填满，而是达到一定的值就会启动GC（详见GC一节）。

栈

0.程序计数器

又称PC寄存器（Program Counter Register），较小的一块内存，用来存放下一条指令（当前指令正在执行引擎中执行，在指令寄存器中？），如果当前执行的是本地方法，则PC寄存器不存任何信息（本地方法执行不通过Java的执行引擎）。另外，如何去取下一条指令就是PC寄存器的工作，像跳转、分支、循环、异常处理等都依赖于PC寄存器来完成。PC寄存器是唯一一个不会有OutOfMemoryError情况的区域。

1.Java方法栈

程序主要的工作地方，每个线程私有，生命周期同线程，另外，一个方法其实就是一个帧，主线程main启动，就会创建主线程的栈，同时将第一个帧（main方法）压入栈中，每创建一个方法就将一个新的帧压入，帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接等信息。方法结束，帧出栈，相对应的内存消除（包括局部变量指向的堆中的对象也会被下一次GC）。当调用本地方法，则工作转到本地栈。

当进入一个方法的时候，其所需要的内存大小是确定的了，不会再改变。如果线程申请的栈深度大于JVM所允许的深度，则会抛出栈溢出StackOverflowError；若是JVM栈可以动态扩展（栈不是固定长度，需要的时候可以自动增加深度，当前JVM基本上都支持这种），但是当扩展时无法申请得到足够的内存同样会抛出OutOfMemoryError异常错误。

另外说一点，局部变量中的对象引用并一定是直接指向实例对象，具体的实现是由JVM决定的，主要有两种实现方式：

(1).直接指向实例对象，由实例对象提供指向对应Class对象的引用。

(2).指向一个句柄池（Java堆开辟出来的），句柄池存放着实例对象地址以及对应Class对象地址。

具体实现及优缺点，可参考《深入理解Java虚拟机》一书。

2.本地方法栈

用于本地方法调用，其他的同Java方法栈，所以有的JVM把两者合二为一。

非堆

也是程序共享区域，从这一点可以看出，JVM规范把他描述为堆的逻辑一部分是有一定的道理，虽然它有个非堆（Non Heap）名称。主要用来存储加载的类的信息、常量、静态变量等，有的称为这一部分为永久代，是因为GC不会处理这一部分，但有的JVM的GC算法也是会涉及到这个部分的（JVM规范对这一点并没有作要求），毕竟这一部分也会出现内存溢出异常的可能，比如，过多的加载类。

类的信息：包括所有类相关的信息：类变量、类字段、类的方法（包括静态方法和非静态方法，具体包括方法的修饰词、返回类型、参数列表等等）、类常量等，这一部分的实际结构很复杂，有兴趣的可以自行查阅。

总结：

0.一句话：栈线程私有，存放局部变量；堆程序共享，存放对象实例数据；非堆主要存放类信息（Class对象）。这是Java内存最主要的三块内存，而直接内存，如果没用到NIO是不会操作到的。

1.数据存放地方

局部变量：栈中，包括基本类型（存放的是值）、对象引用、返回地址；

类变量：方法区（非堆），类变量算是类信息一部分；

字符串和基本类型常量：常量池（事实上，常量池已被放到堆中，不过我们姑且将常量池单独在逻辑上拿出来）；

Class对象：方法区（非堆）；

new对象：引用放到栈中，对象数据放在堆中；

这些存放地方可能因为Java不断发展改变而不一样，但是逻辑上大概是这个意思，还有细节地方可能还有所不同（比如Eden可能还存放其他信息），如果想追究具体是什么情况的话，可以查看最新的jdk说明文档。

本节主要讲的是JVM运行时数据区，JVM内存各个区域的划分以及作用。

[Java 8_ _PermGen_Metaspace]: http://blog.csdn.net/zhyhang/article/details/17246223/
[Center]: /images/20220719/208c16ae28ae4f28b177f8b54f0b081c.png
[Center 1]: /images/20220719/de8fe9a1424f46d4a428f35dce6078c9.png