Java内存区域

前言

C或C++开发人员，在内存管理区域，需要手动申请内存并手动释放内存，否则将出现内存泄漏等问题。

而Java虚拟机自动管理内存，不需要人为回收。不过这也是有代价的，虚拟机回收内存时会阻塞进程，如果代码不合理，回收内存频繁，性能就会受到很大影响。另外，Java也是有可能出现内存泄漏的，开发人员必须理解Java的内存使用规则，才能有效应对内存泄漏等情况。

理解Java内存使用，也会明白进程间通信与线程通信的实质。

理解Java内存使用，从下边这张图开始

java中，一个进程对应着一个虚拟机实例，每个虚拟机实例都管理着不同的内存区域。进程中存在着多个线程，不同线程会共享进程中的部分内存区域，也会存在着线程自己的专属内存区域。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

简单理解就是指示程序运行到哪一行了或者哪个方法了，程序中判断、循环等实现，运行方法、退出方法等，都需要使用程序计数器正确指示。

它是线程私有的内存区域，也是虚拟机中唯一不会出现oom的区域。

Java虚拟机栈

Java虚拟机栈也是线程私有的内存区域

每个方法在运行时都会同时创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等消息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈桢在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了预编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量空间是以Slot（32位）为空间单位的。就算原本一字节大小的byte类型在局部变量表也要占一个Slot。

注意对象引用不是对象本身，对象引用根据不同虚拟的不同实现，存储着对象的指针或名柄。

在Java虚拟机规范中，Java虚拟机栈规定了两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

如果线程栈的大小有1MB，如果当前线程大量使用了递归，那么当线程的栈帧总和超过1MB，JVM就会抛出StackOverflowError。另外，创建线程数量是需要分配线程栈内存的，但系统没有内存可以分配时，就会抛出OutOfMemoryError。

private int stackLength = 1;
public void stackLeak(){
    stackLength ++;
    stackLeak();
}

/**
 * 测试栈溢出
 * 测试参数为：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -Xss128K -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8
 */
public static void testStackOOM(){
    DemoMemory memory = new DemoMemory();
    memory.stackLeak();
}

上面的代码可以模拟StackOverflowError。
本地方法栈对应着非Java代码，和Java虚拟机栈类似，不再详述。

Java堆

Java堆，是虚拟机所管理的内存中最大的一块区域，并且它是被各线程所共享的，在虚拟机启动时创建。此区域唯一目的就是存放对象实例，所有的对象实例及数组均在堆上分配。

Java堆如果没有足够的内存分配，将出现OutOfMemoryError异常。

/*
 * 测试堆内存溢出
 * 测试参数为：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8
 */
private static void testHeapOOM(){
    List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
    while (true) {
        list.add(new OOMObject());
    }
}

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，如果从内存回收的角度讲，现在的收集器基本采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代，再细致一点的有Eden空间，From Survivor空间，To Survivor空间等。

注意：有些版本的JDK已经没有Permanent（永久代）了。

方法区

方法区，与java堆一样，也是各线程所共享的，它存储着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。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存放Class文件在编译期生成的各种字面量和符号引用，因为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）。这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。同时运行时常量池具备动态性，并非预置入Class文件中常量池的内存才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，例如String类的inter()方法。既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

如下代码可制造出内存溢出。

/**
 * 测试运行时常量池内存溢出
 * -verbose:gc -Xms40M -Xmx40M -Xmn20M -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8
 */
public static void testConstantOOM(){
    List<String> list = new ArrayList<>();
    int i = 0;
    while (true) {
        list.add(String.valueOf(i++).intern());
    }
}

调试参数

• -Xms20M：设置堆最小值为20M，也是java堆的初始化大小
• -Xmx20M：设置堆最大值为20M，注意以上参数后面必须无空格加数字，否则会报错。
• -Xss128K：设置java栈大小为128k
• -XX:MaxPermSize：设置方法区最大值

结束语

在前言中提到，理解Java内存区域有助于发现进程通信的实质。为何进程通信这么麻烦呢？那是因为内存区域都不一样了，进程A向进程B发送一个字符串，B怎么知道A发送的就是字符串呢？如果不是发送字符串，而是发送的任意一个自定义类的实例，B要怎么将A发送的数据转换成正确的类实例呢？所以进程通信间的数据，都要实现序列化接口。

另外对象的访问也是值得一提的，方法执行时会在Java虚拟机栈中生成栈桢，栈桢里存储的只是对象的引用，对象的访问都是通过访问存在栈中的对象引用，去访问存在堆中的对象实例。