深入理解JVM之JVM內存區域與內存分配
深入理解JVM之JVM內存區域與內存分配
在學習jvm的內存分配的時候，看到的這篇博客，該博客對jvm的內存分配總結的很好，同時也利用jvm的內存模型解釋了java程序中有關參數傳遞的問題。
博客出處： http://www.cnblogs.com/hellocsl/p/3969768.html?utm_source=tuicool&utm_medium=referral
看了此博客後，發現應該去深入學習下jvm的內存模型，就是去認真學習下《深入理解Java虛擬機》，其內容可能會《深度探索c++對象模型》類似，解釋了java中對象的在內存中的模型，學習了對象的內存模型後，對理解多態、參數傳遞等的理解都有幫助。
前言：這是一篇關於JVM內存區域的文章，由網上一些有關這方面的文章和《深入理解Java虛擬機》整理而來，所以會有些類同的地方，也不能保證我自己寫的比其他網上的和書本上的要好，也不可能會這樣。寫博客的目的是為了個人對這方面自己理解的分享與個人的積累，所以有寫錯的地方多多指教。
看到深入兩字，相信很多的JAVA初學者都會直接忽略這樣的文章，其實關於JVM內存區域的知識對於初學者來說其實是很重要的，了解Java內存分配的原理，這對於以後JAVA的學習會有更深刻的理解，這是我個人的看法。
先來看看JVM運行時候的內存區域
大多數 JVM 將內存區域劃分為 Method Area（Non-Heap）（方法區）
首先我們熟悉一下一個一般性的 Java 程序的工作過程。一個 Java 源程序文件，會被編譯為字節碼文件（以 class 為擴展名），每個java程序都需要運行在自己的JVM上，然後告知 JVM 程序的運行入口，再被 JVM 通過字節碼解釋器加載運行。那麽程序開始運行後，都是如何涉及到各內存區域的呢？
概括地說來，JVM初始運行的時候都會分配好Method Area（方法區）和Heap（堆），而JVM 每遇到一個線程，就為其分配一個Program Counter Register（程序計數器）, VM Stack（虛擬機棧）和Native Method Stack （本地方法棧），當線程終止時，三者（虛擬機棧，本地方法棧和程序計數器）所占用的內存空間也會被釋放掉。這也是為什麽我把內存區域分為線程共享和非線程共享的原因，非線程共享的那三個區域的生命周期與所屬線程相同，而線程共享的區域與JAVA程序運行的生命周期相同，所以這也是系統垃圾回收的場所只發生在線程共享的區域（實際上對大部分虛擬機來說知發生在Heap上）的原因。
1. 程序計數器
程序計數器是一塊較小的內存區域，作用可以看做是當前線程執行的字節碼的位置指示器。分支、循環、跳轉、異常處理和線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計算器來完成，不多說。
2.VM Strack
先來了解下JAVA指令的構成：
JAVA指令由 操作碼 （方法本身）和 操作數 （方法內部變量） 組成。
1）方法本身是指令的操作碼部分，保存在Stack中； 2）方法內部變量（局部變量）作為指令的操作數部分，跟在指令的操作碼之後，保存在Stack中（實際上是簡單類型（int,byte,short 等）保存在Stack中，對象類型在Stack中保存地址，在Heap 中保存值）；虛擬機棧也叫棧內存，是在線程創建時創建，它的生命期是跟隨線程的生命期，線程結束棧內存也就釋放，對於棧來說不存在垃圾回收問題，只要線程一結束，該棧就 Over，所以不存在垃圾回收。也有一些資料翻譯成JAVA方法棧，大概是因為它所描述的是java方法執行的內存模型，每個方法執行的同時創建幀棧（Strack Frame）用於存儲局部變量表（包含了對應的方法參數和局部變量），操作棧（Operand Stack，記錄出棧、入棧的操作），動態鏈接、方法出口等信息，每個方法被調用直到執行完畢的過程，對應這幀棧在虛擬機棧的入棧和出棧的過程。
局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象的引用（reference類型，不等同於對象本身，根據不同的虛擬機實現，可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能是一個代表對象的句柄或者其他與對象相關的位置）和 returnAdress類型（指向下一條字節碼指令的地址）。局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配，在方法在運行之前，該局部變量表所需要的內存空間是固定的，運行期間也不會改變。
棧幀是一個內存區塊，是一個數據集，是一個有關方法(Method)和運行期數據的數據集，當一個方法 A 被調用時就產生了一個棧幀 F1，並被壓入到棧中，A 方法又調用了 B 方法，於是產生棧幀 F2 也被壓入棧，執行完畢後，先彈出 F2棧幀，再彈出 F1 棧幀，遵循“先進後出”原則。光說比較枯燥，我們看一個圖來理解一下 Java棧，如下圖所示：
3.Heap
Heap（堆）是JVM的內存數據區。Heap 的管理很復雜，是被所有線程共享的內存區域，在JVM啟動時候創建，專門用來保存對象的實例。在Heap 中分配一定的內存來保存對象實例，實際上也只是保存對象實例的屬性值，屬性的類型和對象本身的類型標記等，並不保存對象的方法（以幀棧的形式保存在Stack中）,在Heap 中分配一定的內存保存對象實例。而對象實例在Heap 中分配好以後，需要在Stack中保存一個4字節的Heap 內存地址，用來定位該對象實例在Heap 中的位置，便於找到該對象實例，是垃圾回收的主要場所。java堆處於物理不連續的內存空間中，只要邏輯上連續即可。
4.Method Area
Object Class Data(加載類的類定義數據) 是存儲在方法區的。除此之外，常量、靜態變量、JIT(即時編譯器)編譯後的代碼也都在方法區。正因為方法區所存儲的數據與堆有一種類比關系，所以它還被稱為 Non-Heap。方法區也可以是內存不連續的區域組成的，並且可設置為固定大小，也可以設置為可擴展的，這點與堆一樣。 垃圾回收在這個區域會比較少出現，這個區域內存回收的目的主要針對常量池的回收和類的卸載。 5.運行時常量池（Runtime Constant Pool） 方法區內部有一個非常重要的區域，叫做運行時常量池（Runtime Constant Pool，簡稱 RCP）。在字節碼文件（Class文件）中，除了有類的版本、字段、方法、接口等先關信息描述外，還有常量池（Constant Pool Table）信息，用於存儲編譯器產生的字面量和符號引用。這部分內容在類被加載後，都會存儲到方法區中的RCP。值得註意的是，運行時產生的新常量也可以被放入常量池中，比如 String 類中的 intern() 方法產生的常量。 常量池就是這個類型用到的常量的一個有序集合。包括直接常量(基本類型，String)和對其他類型、方法、字段的符號引用.例如： ◆類和接口的全限定名； ◆字段的名稱和描述符； ◆方法和名稱和描述符。 池中的數據和數組一樣通過索引訪問。由於常量池包含了一個類型所有的對其他類型、方法、字段的符號引用，所以常量池在Java的動態鏈接中起了核心作用. 很有用且重要關於常量池的擴展：Java常量池詳解 http://www.cnblogs.com/DreamSea/archive/2011/11/20/2256396.html 6.Native Method Stack 與VM Strack相似，VM Strack為JVM提供執行JAVA方法的服務，Native Method Stack則為JVM提供使用native 方法的服務。 7.直接內存區 直接內存區並不是 JVM 管理的內存區域的一部分，而是其之外的。該區域也會在 Java 開發中使用到，並且存在導致內存溢出的隱患。如果你對 NIO 有所了解，可能會知道 NIO 是可以使用 Native Methods 來使用直接內存區的。 小結：- 在此，你對JVM的內存區域有了一定的理解，JVM內存區域可以分為線程共享和非線程共享兩部分，線程共享的有堆和方法區，非線程共享的有虛擬機棧，本地方法棧和程序計數器。
8.JVM運行原理 例子
以上都是純理論，我們舉個例子來說明 JVM 的運行原理，我們來寫一個簡單的類，代碼如下：
1 public class JVMShowcase {
2 //靜態類常量,
3 public final static String ClASS_CONST = "I‘m a Const";
4 //私有實例變量
5 private int instanceVar=15;
6 public static void main(String[] args) {
7 //調用靜態方法
8 runStaticMethod();
9 //調用非靜態方法
10 JVMShowcase showcase=new JVMShowcase();
11 showcase.runNonStaticMethod(100);
12 }
13 //常規靜態方法
14 public static String runStaticMethod(){
15 return ClASS_CONST;
16 }
17 //非靜態方法
18 public int runNonStaticMethod(int parameter){
19 int methodVar=this.instanceVar * parameter;
20 return methodVar;
21 }
22 }
這個類沒有任何意義，不用猜測這個類是做什麽用，只是寫一個比較典型的類，然後我們來看
看 JVM 是如何運行的，也就是輸入 java JVMShow 後，我們來看 JVM 是如何處理的：
第 1 步 、向操作系統申請空閑內存。JVM 對操作系統說“給我 64M（隨便模擬數據，並不是真實數據） 空閑內存”，於是，JVM 向操作系統申請空閑內存作系統就查找自己的內存分配表，找了段 64M 的內存寫上“Java 占用”標簽，然後把內存段的起始地址和終止地址給 JVM，JVM 準備加載類文件。
第 2 步，分配內存內存。JVM 分配內存。JVM 獲得到 64M 內存，就開始得瑟了，首先給 heap 分個內存，然後給棧內存也分配好。
第 3 步，文件檢查和分析class 文件。若發現有錯誤即返回錯誤。
第 4 步，加載類。加載類。由於沒有指定加載器，JVM 默認使用 bootstrap 加載器，就把 rt.jar 下的所有類都加載到了堆類存的Method Area，JVMShow 也被加載到內存中。我們來看看Method Area區域，如下圖：（這時候包含了 main 方法和 runStaticMethod方法的符號引用，因為它們都是靜態方法，在類加載的時候就會加載）
Heap 是空，Stack 是空，因為還沒有對象的新建和線程被執行。
第 5 步、執行方法。執行 main 方法。執行啟動一個線程，開始執行 main 方法，在 main 執行完畢前，方法區如下圖所示：
（public final static String ClASS_CONST = "I‘m a Const"; ）
在 Method Area 加入了 CLASS_CONST 常量，它是在第一次被訪問時產生的（runStaticMethod方法內部）。
堆內存中有兩個對象 object 和 showcase 對象，如下圖所示：（執行了JVMShowcase showcase=new JVMShowcase(); ）
為什麽會有 Object 對象呢？是因為它是 JVMShowcase 的父類，JVM 是先初始化父類，然後再初始化子類，甭管有多少個父類都初始化。
在棧內存中有三個棧幀，如下圖所示：
於此同時，還創建了一個程序計數器指向下一條要執行的語句。
第 6 步，釋放內存。釋放內存。運行結束，JVM 向操作系統發送消息，說“內存用完了，我還給你”，運行結束。
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現在來看JVM內存是如何分配的，該部分轉載來自 http://blog.csdn.net/shimiso/article/details/8595564
預備知識：
1.一個Java文件，只要有main入口方法，我們就認為這是一個Java程序，可以單獨編譯運行。
2.無論是普通類型的變量還是引用類型的變量(俗稱實例)，都可以作為局部變量，他們都可以出現在棧中。只不過普通類型的變量在棧中直接保存它所對應的值，而引用類型的變量保存的是一個指向堆區的指針，通過這個指針，就可以找到這個實例在堆區對應的對象。因此，普通類型變量只在棧區占用一塊內存，而引用類型變量要在棧區和堆區各占一塊內存。
示例：（以下所有實例中，是根據需要對於棧內存中的幀棧簡化成了只有局部變量表，實際上由上面對幀棧的介紹知道不僅僅只有這些信息，同理堆內存也一樣）
1.JVM自動尋找main方法，執行第一句代碼，創建一個Test類的實例，在棧中分配一塊內存，存放一個指向堆區對象的指針110925。
2.創建一個int型的變量date，由於是基本類型，直接在棧中存放date對應的值9。
3.創建兩個BirthDate類的實例d1、d2，在棧中分別存放了對應的指針指向各自的對象。他們在實例化時調用了有參數的構造方法，因此對象中有自定義初始值。
調用test對象的change1方法，並且以date為參數。JVM讀到這段代碼時，檢測到i是局部變量，因此會把i放在棧中，並且把date的值賦給i。
把1234賦給i。很簡單的一步。
change1方法執行完畢，立即釋放局部變量i所占用的棧空間。
調用test對象的change2方法，以實例d1為參數。JVM檢測到change2方法中的b參數為局部變量，立即加入到棧中，由於是引用類型的變量，所以b中保存的是d1中的指針，此時b和d1指向同一個堆中的對象。在b和d1之間傳遞是指針。
change2方法中又實例化了一個BirthDate對象，並且賦給b。在內部執行過程是：在堆區new了一個對象，並且把該對象的指針保存在棧中的b對應空間，此時實例b不再指向實例d1所指向的對象，但是實例d1所指向的對象並無變化，這樣無法對d1造成任何影響。
change2方法執行完畢，立即釋放局部引用變量b所占的棧空間，註意只是釋放了棧空間，堆空間要等待自動回收。
調用test實例的change3方法，以實例d2為參數。同理，JVM會在棧中為局部引用變量b分配空間，並且把d2中的指針存放在b中，此時d2和b指向同一個對象。再調用實例b的setDay方法，其實就是調用d2指向的對象的setDay方法。
調用實例b的setDay方法會影響d2，因為二者指向的是同一個對象。
change3方法執行完畢，立即釋放局部引用變量b。
小結：
1.分清什麽是實例什麽是對象。Class a= new Class();此時a叫實例，而不能說a是對象。實例在棧中，對象在堆中，操作實例實際上是通過實例的指針間接操作對象。多個實例可以指向同一個對象。
2.棧中的數據和堆中的數據銷毀並不是同步的。方法一旦結束，棧中的局部變量立即銷毀，但是堆中對象不一定銷毀。因為可能有其他變量也指向了這個對象，直到棧中沒有變量指向堆中的對象時，它才銷毀，而且還不是馬上銷毀，要等垃圾回收掃描時才可以被銷毀。
3.以上的棧、堆、代碼段、數據段等等都是相對於應用程序而言的。每一個應用程序都對應唯一的一個JVM實例，每一個JVM實例都有自己的內存區域，互不影響。並且這些內存區域是所有線程共享的。這裏提到的棧和堆都是整體上的概念，這些堆棧還可以細分。
4.類的成員變量在不同對象中各不相同，都有自己的存儲空間(成員變量在堆中的對象中)。而類的方法卻是該類的所有對象共享的，只有一套，對象使用方法的時候方法才被壓入棧，方法不使用則不占用內存。
深入理解JVM之JVM內存區域與內存分配