一文洞悉JVM記憶體管理機制

• 2020 年 3 月 27 日
• 筆記

前言

本文已經收錄到我的Github個人部落格，歡迎大佬們光臨寒舍：

我的GIthub部落格

學習導圖：

一.為什麼要學習記憶體管理？

Java與C++之間有一堵由記憶體動態分配和垃圾回收機制所圍成的高牆，牆外面的人想進去，牆裡面的人出不來

對於Java程式設計師來說，JVM給我們提供了自動記憶體管理機制，不需要既當「皇帝」，又當「人民」，不需要人為地給每一個new操作寫配對的delete/free程式碼，不容易出現記憶體泄漏和記憶體溢出問題。然而一旦出現記憶體泄漏和溢出方面的問題，如果不清楚JVM記憶體的記憶體管理機制，那麼將很難定位與解決問題。而且，JVM的記憶體管理機制在面試中也是非常重要的考點之一。

綜上，想要更加深入了解JVM的奧秘，探究JVM記憶體管理機制是必不可少的！！！

二.核心知識點歸納

2.1 JVM運行時數據區域

JVM 執行 Java 程式的過程：Java 源程式碼文件 (.java) 會被 Java 編譯器編譯為位元組碼文件(.class)，然後由 JVM 中的類載入器載入各個類的位元組碼文件，載入完畢之後，交由 JVM 執行引擎執行

在上述過程中，JVM會用一段空間來存儲執行程式期間需要用到的數據和相關資訊，這段空間就是運行時數據區，也就是常說的JVM記憶體

JVM會將它所管理的記憶體劃分為若干個不同的數據區域，劃分結果如圖：

可見，運行時數據區被分為執行緒私有數據區和執行緒共享數據區兩大類：

• 執行緒私有數據區包含：程式計數器、虛擬機棧、本地方法棧
• 執行緒共享數據區包含：Java堆、方法區（內部包含運行時常量池）

下面將為您詳細介紹各個數據區的內容

2.1.1 程式計數器

• 定義：當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器

• 如果執行緒正在執行的是一個 Java 方法，那麼計數器記錄的是正在執行的虛擬機位元組碼指令的地址
• 如果執行緒正在執行的是一個 Native 方法，那麼計數器的值則為空

位元組碼解釋器工作時，就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令，分支、循環、跳轉、異常處理、執行緒恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。

• 為什麼必須是私有：為了執行緒切換後能恢復到正確的執行位置，每條執行緒都需要有一個獨立的程式計數器，各條執行緒之間計數器互不影響，獨立存儲，因此它是執行緒私有的記憶體
• 在《 Java 虛擬機規範》中，是唯一一個沒有規定任何 OutOfMemoryError 情況的區域

2.1.2 Java 虛擬機棧

• 定義： Java 方法執行的記憶體模型

• 每個方法在執行的同時都會創建一個棧幀，用於存儲局部變數表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等資訊

• 每個方法從調用直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程

局部變數表存放了編譯期可知的各種基本數據類型、對象引用類型和 returnAddress 類型，它所需的記憶體空間在編譯期間完成分配

• 執行緒私有的記憶體，與執行緒生命周期相同
• 一般把 Java 記憶體區分為堆記憶體（Heap）和棧記憶體（Stack），其中『棧』指的是虛擬機棧，『堆』指的是 Java 堆
• 在 Java 虛擬機規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：

• 如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出 StackOverflowError 異常
• 如果虛擬機棧可動態擴展且擴展時無法申請到足夠的記憶體，將拋出 OutOfMemoryError 異常

2.1.3 本地方法棧

• 定義：虛擬機使用到的 Native 方法服務

想要了解Native方法的讀者，可以看下這篇文章：Java中native方法

• 在虛擬機規範中，對這個區域無強制規定，由具體的虛擬機自由實現。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常

2.1.4 Java堆

• 定義：被所有執行緒共享的一塊記憶體區域，在虛擬機啟動時創建
• 作用：用於存放幾乎所有的對象實例和數組

在 Java 堆中，可能劃分出多個執行緒私有的分配緩衝區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），但無論哪個區域，存儲的都仍然是對象實例，進一步劃分的目的是為了更好地回收記憶體，或者更快地分配記憶體

• 是垃圾收集器管理的主要區域，也被稱做 「GC 堆」(可別叫做垃圾堆orz)
• 是 Java 虛擬機所管理的記憶體中最大的一塊
• 可處於物理上不連續的記憶體空間中，只要邏輯上是連續的即可
• 在 Java 虛擬機規範中，如果在堆中沒有記憶體完成實例分配，且堆也無法再擴展時，將會拋出 OutOfMemoryError 異常

2.1.5 方法區

• 定義：與 Java 堆一樣，是各個執行緒共享的記憶體區域

• 作用：用於存儲已被虛擬機載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等數據

• 人們更願意把這個區域稱為 「永久代」，它還有個別名叫做 Non-Heap（非堆）

  在 JDK7 的 HotSpot 中，已經把原本放在永久代的字元串常量池，靜態變數移出；

  在JDK8中，廢棄永久代的概念，改用元空間；

• 對用元空間替換永久代的原因感興趣的話，可以看下這篇文章：一文讀懂 – 元空間和永久代

永久代/元空間 和方法區的區別：

• 永久代/元空間 可看作是方法區的實現

• 和 Java 堆一樣不需要連續的記憶體和可以選擇固定大小或可擴展外，還可選擇不實現 GC
• 在 Java 虛擬機規範中，當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將拋出 OutOfMemoryError 異常

2.1.6 運行時常量池

Class 文件中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊是常量池表，用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類載入後進入方法區的運行時常量池中存放

Q1：字面量是什麼

可以理解為字面意思的常量。

int a; //變數  const int b = 10; //b為常量，10為字面量  string str = 「hello world！」; // str 為變數，hello world！為字面量  

由例子可知，字面量就是如此容易理解

Q2：符號引用是什麼

可以是任意類型的字面量。只要能無歧義的定位到目標。在編譯期間由於暫時不知道類的直接引用，因此先使用符號引用代替。最終還是會轉換為直接引用訪問目標

比如：java/lang/StringBuilder

Q3：運行時常量池是什麼

• 相對於 Class 文件常量池的一個重要特徵是具備動態性，體現在並非只有預置入 Class 文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中
• 是方法區的一部分，會受到方法區記憶體的限制
• 在 Java 虛擬機規範中，當常量池無法再申請到記憶體時會拋出 OutOfMemoryError 異常

2.1.7 直接記憶體

• 它並不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是《Java虛擬機規範》中定義的記憶體區域，但是這部分記憶體也被頻繁地調用
• 作用：避免了在JAVA堆和Native堆中來回複製數據，因此在一些場景下能顯著提高性能

JDK1.4中新加入了NIO類，引入了基於通道與緩衝區的IO方式，可以使用Native函數庫直接分配直接記憶體（堆外記憶體），然後通過DirectByteBuffer作為這塊記憶體的引用進行操作

2.2 HotSpot 虛擬機記憶體對象探秘

在熟悉虛擬機記憶體劃分及其具體內容之後，為詳細了解虛擬機記憶體中數據的其他細節，以常用的虛擬機 HotSpot 和常用的記憶體區域 Java 堆為例，探討 HotSpot 虛擬機在 Java 堆中對象分配、布局和訪問的全過程

2.2.1 對象的創建

遇到一個 new 指令後創建過程分三步

1.類載入檢查

檢查 new 指令的參數是否能在常量池中定位到一個類的符號引用且該符號引用代表的類是否已被載入、解析和初始化，若沒有則需先執行相應的類載入，反之下一步

2.分配記憶體

• 由 Java 堆中的記憶體是否規整決定如何給新生對象分配可用空間
• 由堆所採用的垃圾收集器是否帶有空間壓縮整理的能力決定Java 堆中的記憶體是否規整

• 若規整，採用 「指針碰撞」 分配方式：

• 過程：將用過和空閑的記憶體放在兩邊，中間以一個指針作為分界指示器。當分配記憶體時，就把指針向空閑一邊挪動與對象大小相等的距離即可
• 應用：Serial、ParNew 等帶 壓縮過程的收集器

• 若非規整，採用 「空閑列表」 分配方式：

• 過程：維護一個記錄可用記憶體塊的列表。當分配記憶體時，就從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對象實例並更新記錄
• 應用：基於 Mark-Sweep 演算法的 CMS 收集器

保證記憶體分配是執行緒安全的解決方案：

• 對記憶體分配的動作進行同步處理
• 每個執行緒在 Java 堆中預先分配一塊記憶體（本地執行緒分配緩衝 TLAB），在本執行緒的 TLAB 上進行分配，當 TLAB 用完需要分配新的 TLAB 時再同步鎖定

3.設置對象頭

將對象的所屬類、找到類的元數據資訊的方式、對象的哈希碼、對象的 GC 分代年齡等資訊存放在對象的對象頭中

2.2.2 對象的記憶體分布

分為三塊區域

• 對象頭：包括兩部分資訊

• Mark Word：用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼、GC 分代年齡、鎖狀態標誌、執行緒持有的鎖、偏向執行緒 ID、偏向時間戳等
• 類型指針：用於確定這個對象的所屬類

• 實例數據：存儲真正的有效資訊，是程式程式碼中定義的各種類型的欄位內容。存儲順序會受虛擬機分配策略參數和欄位在 Java 源碼中定義順序這兩個因素影響。
• 對齊填充：佔位符，幫助補全未對齊的對象實例數據部分（保證是 8 位元組的倍數），非必需

2.2.3 對象的訪問定位

兩種主流的訪問方式

• 通過句柄訪問對象

  在 Java 堆中劃分出一塊記憶體來作為句柄池，reference 存儲的是對象的句柄地址，在句柄中包含了對象實例數據與類型數據各自的具體地址資訊

  好處：reference 中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動時只會改變句柄中的實例數據指針，而 reference 本身不需要修改

  

• 通過直接指針訪問對象

  在 Java 堆對象的布局中考慮如何放置訪問類型數據的相關資訊，reference 存儲的直接就是對象地址

  好處：速度更快，節省了一次指針定位的時間開銷

  

2.3 實戰：OutOfMemoryError 異常

這部分的內容可以看下這篇文章：JVM記憶體溢出詳解（棧溢出，堆溢出，持久代溢出、無法創建本地執行緒）

三.課堂小測試

恭喜你！已經看完了前面的文章，相信你對JVM記憶體管理機制已經有一定深度的了解，下面，進行一下課堂小測試，驗證一下自己的學習成果吧！

Q1:在JVM中，為什麼要把堆與棧分離？棧不是也可以存儲數據嗎？

• 從軟體設計的角度看，棧代表了處理邏輯，而堆代表了數據，分工明確，處理邏輯更為清晰體現了「分而治之」以及「隔離」的思想。

• 堆與棧的分離，使得堆中的內容可以被多個棧共享（也可以理解為多個執行緒訪問同一個對象）。這樣共享的方式有很多收益：提供了一種有效的數據交互方式(如：共享記憶體)；堆中的共享常量和快取可以被所有棧訪問，節省了空間。

• 棧因為運行時的需要，比如保存系統運行的上下文，需要進行地址段的劃分。由於棧只能向上增長，因此就會限制住棧存儲內容的能力。而堆不同，堆中的對象是可以根據需要動態增長的，因此棧和堆的拆分，使得動態增長成為可能，相應棧中只需記錄堆中的一個地址即可。

• 堆和棧的結合完美體現了面向對象的設計。當我們將對象拆開，你會發現，對象的屬性即是數據，存放在堆中；而對象的行為（方法）即是運行邏輯，放在棧中。因此編寫對象的時候，其實即編寫了數據結構，也編寫的處理數據的邏輯。

Q2:為啥說堆和JVM棧是程式運行的關鍵

• 棧是運行時的單位（解決程式的運行問題，即程式如何執行，或者說如何處理數據），而堆是存儲的單位（解決的是數據存儲的問題，即數據怎麼放、放在哪兒）
• 堆存儲的是對象。棧存儲的是基本數據類型和堆中對象的引用；（參數傳遞的值傳遞和引用傳遞）

如果文章對您有一點幫助的話，希望您能點一下贊，您的點贊，是我前進的動力

本文參考鏈接：

• 《深入理解Java虛擬機》第3版
• Java中native方法
• 一文讀懂 – 元空間和永久代
• JVM記憶體溢出詳解（棧溢出，堆溢出，持久代溢出、無法創建本地執行緒）
• 要點提煉| 理解JVM之記憶體管理機制
• 字面量，常量和變數之間的區別？
• 元數據（MetaData）
• JVM 符號引用和直接引用
• 一文理解JVM虛擬機