本文是《深入理解Java虛擬機(jī)》中第二章的讀書總結(jié)。

看了幾個星期《深入理解Java虛擬機(jī)》，覺得有必要將看到的東西記錄下來，以便日后看看。

Java是平臺無關(guān)的語言，也就是說Java代碼可以運(yùn)行在不同的機(jī)器上，要實(shí)現(xiàn)這種“一次編碼，處處運(yùn)行”的目標(biāo)，Java使用虛擬機(jī)來消除平臺多樣性。Java相比于C和C++不同的一個地方在于，Java程序員不需要手動回收內(nèi)存，而C/C++需要使用delete/free代碼來手動釋放不使用的內(nèi)存。那么，這里首先介紹一下Java虛擬機(jī)的內(nèi)存區(qū)域是如何組織的。

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過程中會把管理的內(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。Java虛擬機(jī)中內(nèi)存的總體分布如圖所示：

一共包括方法區(qū)、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、堆、程序計(jì)數(shù)器等部分。其中，方法區(qū)和堆是所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，而虛擬機(jī)棧、本地方法棧和程序計(jì)數(shù)器是線程私有的內(nèi)存區(qū)域，線程間不共享這部分的數(shù)據(jù)。

1、程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。Java虛擬機(jī)的程序計(jì)數(shù)器和CPU的程序計(jì)數(shù)器類似，CPU中執(zhí)行的是機(jī)器碼，使用程序計(jì)數(shù)器來指示下一條指令的地址；類似的，在虛擬機(jī)的概念模型里，字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計(jì)數(shù)器的值來選定下一條要執(zhí)行的字節(jié)碼指令的行號，因?yàn)镴ava代碼編譯后的Class文件中的字節(jié)碼指令是一行一行的，這部分的內(nèi)容會在后面介紹。Java程序的分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理和線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要程序計(jì)數(shù)器來完成。

由于程序計(jì)數(shù)器和字節(jié)碼指令的執(zhí)行有關(guān)，而每個線程都有各自要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。Java虛擬機(jī)的多線程是通過為每個線程輪流分配處理器的使用時間來實(shí)現(xiàn)的，同一時刻一個處理器只會執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了處理器切換線程后能夠從正確的地方繼續(xù)執(zhí)行，每個線程都應(yīng)該有自己的程序計(jì)數(shù)器，這樣多線程執(zhí)行的時候才不會相互影響。即，程序計(jì)數(shù)器是線程私有的內(nèi)存。

如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法，這個計(jì)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Native方法，這個計(jì)數(shù)器值則為空。此區(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。

2、Java虛擬機(jī)棧

和程序計(jì)數(shù)器一樣，Java虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，生命周期與線程相同。在Java虛擬機(jī)中，每個方法的執(zhí)行都會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame），棧幀用來存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出入口等信息。每一個方法從調(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)中入棧到出棧的信息。

Java每一個線程都會涉及到很多的方法調(diào)用，因此每個線程都有自己的虛擬機(jī)棧，即線程私有。

棧幀中的局部變量表存放了編譯期間可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long和double）、對象引用（Reference類型，不等同于對象本身，可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?#xff0c;也可能是指向一個代表對象的句柄或其他與此對象相關(guān)的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。

局部變量表中存放數(shù)據(jù)的基本單元是局部變量空間（Slot），除了64為長度的long和double使用兩個slot外，其他所有類型的數(shù)據(jù)都使用一個slot。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，這個方法所需要的空間大小是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會改變局部變量表的大小。

Java虛擬機(jī)規(guī)范對Java虛擬機(jī)棧規(guī)定了兩個異常情況：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，如果擴(kuò)展時無法申請到足夠的內(nèi)存，就會拋出OutOfMemoryError異常。

3、本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stack）和虛擬機(jī)棧的作用非常相似，區(qū)別就是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java代碼服務(wù)，而本地方法棧為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。和虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。同時，本地方法棧也是線程私有的。

4、Java堆

對于大多數(shù)應(yīng)用來說，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機(jī)鎖管理的內(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(shí)例，幾乎所有的對象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。隨著JIT編譯器的發(fā)展和逃逸分析技術(shù)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。

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為“GC堆”。從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在的垃圾收集器基本采用分代收集算法，所以Java堆還可以分為新生代和老年代；再細(xì)致的有Eden空間、From Survivor空間和To Survivor空間等。對于垃圾回收的內(nèi)容會在后面介紹。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）。不過無論怎么劃分，都與存放內(nèi)容無關(guān)，無論哪個區(qū)域，存儲的仍都是對象實(shí)例。

Java堆可以處理物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可。在實(shí)現(xiàn)上，堆既可以是大小固定的，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(shí)現(xiàn)的（使用-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法擴(kuò)展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

5、方法區(qū)

方法區(qū)（Method Area）也是線程共享的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量和即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

Java虛擬機(jī)規(guī)范對方法區(qū)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(shí)現(xiàn)垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區(qū)域是較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入了方法區(qū)就永久存在了。這個區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要針對常量池的回收和對類型的卸載。一般來說，由于類型的卸載的條件非常苛刻，所以這部分的垃圾回收成績不令人滿意。當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

6、運(yùn)行時常量池

運(yùn)行時常量池（Running 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、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池，用于存放編譯期間生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時常量池中存放。Java虛擬機(jī)規(guī)范沒有做任何關(guān)于此部分的細(xì)節(jié)要求，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(yùn)行時常量池中。

運(yùn)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動態(tài)性，Java語言并不要求常量一定只有編譯期間才能產(chǎn)生，也就是并非欲置入Class文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量池放入池中。

既然運(yùn)行時常量池是方法區(qū)的一部分，自然受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o法申請到內(nèi)存時會拋出OutOfMemoryError異常。

7、直接內(nèi)存

直接內(nèi)存（Direct Memory）并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。但是這部分內(nèi)存也被頻繁的使用，而且也可能導(dǎo)致OutOfMemoryError異常出現(xiàn)，所以也放在這里介紹。

在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基于通道（Channel）與緩沖區(qū)（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。這樣能在一些場合中顯著提高性能，因?yàn)楸苊饬嗽贘ava堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

由于直接使用本機(jī)內(nèi)存，所以當(dāng)內(nèi)存不夠時也會拋出OutOfMemoryError異常。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java内存区域分布的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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