对于Java程序员,在虚拟机的自动内存管理机制的帮助下,不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码,且不容易出现内存泄露和内存溢出问题。
数据区域
Java虚拟机管理的内存包括的运行时数据区域:
所有线程共享的数据区域是所有线程共享的,在虚拟机启动时创建。
线程隔离的数据区域都是线程私有的,生命周期与线程相同。
程序计数器(Program Counter Register)
程序计数器可以看作当前线程所执行的字节码的行号指示器。虚拟机的概念模型中就是通过改变其值来选取下一条执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都依赖于程序计数器。
每条线程都有一个独立的程序计数器,互不影响,独立存储。
如果线程正在执行Java方法,该线程程序计数器的值为正在执行的字节码指令地址;如果线程正在执行Native方法,则值为空(Undefined)。
此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)
虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表(存放编译器可知的各种基本数据类型、对象引用、返回地址,编译期间完成分配)、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程,对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
Java虚拟机规范对此区域规定了两种异常情况:
- StackOverflowError异常:线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度;
- OutOfMemoryError异常:可动态扩展的虚拟机栈无法申请到足够的内存。
本地方法栈(Native Method Stacks)
与虚拟机栈作用相似,但是本地方法栈服务于Native方法。
与虚拟机栈一样,也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
Java堆(Java Heap)
Java堆的唯一目的就是存放对象实例。
该区域是垃圾收集器管理的主要区域,也叫做“GC堆”。
Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可。该区域可以选择固定大小或可扩展。当堆中没有内存完成实力分配且无法再扩展时,会抛出OutOfMemoryError异常。
方法区(Method Area)
方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分。
Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松,除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或可扩展外,还可以选择不实现垃圾收集。
当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。
方法区中包括一个叫“运行时常量池(Runtime Constant Pool)”的一部分,。Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池(Constant Pool Table),用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
直接内存(Direct Memory)
直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域,但是这部分内存也被频繁地使用,而且受本机总内存及处理器寻址空间的限制,也可能导致OutOfMemoryError异常。 NIO(New Input/Output)类,可以使用Native函数直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作,避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据,显著提高性能。
对象访问
最简单的对象访问: Object obj = new Object();
假设这句代码出现在方法体中,涉及Java栈、Java堆、方法区三个区域。
- “ Object obj”这部分的语义将会反映到Java栈的本地变量表中,作为一个reference类型数据出现;
- “ new Object()”这部分的语义将会反映到Java堆中,形成一块存储了Object类型所有实例数据值(Instance Data,对象中各个实例字段的数据)的结构化内存;
- 在Java堆中还必须包含能查找到此对象数据类型(如对象类型、父类、实现的接口、方法等)的地址信息,这些类型数据存储在方法区中。
Java虚拟机规范中对reference类型只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通过哪种方式去定位,以及访问到Java堆中的对象的具体位置。主流访问方式有两种:使用句柄和直接指针。
- 使用句柄方式,Java堆中将会划分出一块内存作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息。最大的好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要被修改。
- 直接指针访问方式,Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,reference中直接存储的就是对象地址。最大的好处就是速度更快,节省了一次指针定位时间的开销,由于对象的访问在Java中非常频繁,因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。