JVM学习笔记-内存处理

大多数JVM将内存区域划分为Method Area（Non-Heap），Heap，Program Counter Register，Java Method Statck，Native Method Stack和Direct Memomry（备注：Directory Memory并不属于JVM管理的内存区域）。前三者一般翻译为：方法区、堆、程序计数器。但不同的资料和书籍对于后者的翻译名不尽相同，这里将他们分别翻译为：Java方法栈、本地方法栈和直接内存区域。对于不同的JVM。内存区域划分可能会有所差异，比如Hot
Spot就将Java方法栈和本地方法栈合二为一，统称为方法栈（Method Stack）

首先我们熟悉一下一个一般的Java程序的工作过程。一个Java源文件，会被编译成字节码（ByteCode），然后告知JVM程序的运行入口，再被JVM通过字节码解释器加载运行，具体请参考JVM学习笔记-基础知识。那么程序开始运行后，是如何涉及到各内存区域的呢？

概括地说，JVM每遇到一个线程，就为其分配一个程序计数器、Java方法栈和本地方法栈。当线程终止时，两者所占有的内存空间会被释放掉。栈中保存的是栈帧，可以说每个栈帧对应一个“运行现场”。如果出现一个局部对象，则它的实例数据被保存在堆中，而类数据被保存在方法区。

我们用上面这一段文字就描述完了每个内存区域的基本功能，但是这还是比较粗糙，下面就分别介绍它们的存储对象、生存周期与空间管理策略。

程序计数器

线程特性：私有
存储内容：字节码文件指令地址（Java Methods），或Undefined（Native Methods）
生命周期：随线程而生死
空间策略：占用内存很小

这个最简单，就先从它说起。程序计数器，是线程私有（与线程共享相对）的，也就是说有N个线程，JVM就会分配N个程序计数器。如果当线程在执行一个Java方法，程序计数器记录着线程所执行的字节码文件中的指令地址。线程执行的是一个Native方法，则计数器值为Undefined。

程序计数器的生存周期多长呢？显然程序计数器是伴随着线程而生，伴随线程死而死的，并且程序计数器占用的内存空间也很小。

Java方法发栈与本地方法栈

Java方法栈也是线程私有的，每个Java方法栈都是由一个个栈帧组成的，每个栈帧是一个方法运行期的基础数据结构，它存储局部变量表，操作数栈、动态链表、方法出口等信息。当线程调用了一个Java方法时，一个栈帧就被压入（Push）到相应的Java方法栈。当线程从一个Java方法返回时，相应的Java方法栈就弹出（Pop）一个栈帧。

其中要详细介绍的是局部变量表，它保存着各种基本数据类型和对象引用（Object reference）。基本数据类型包括boolean、byte、char、short、int、long、float、double。对象引用，本质就是一个地址（也可以说是一个“指针”），该地址是堆中的一个地址，通过这个地址可以找到相应的Object（注意“找到”，具体原因会在下面解释）。而这个地址找到相应Object的方式有两种。一种是该地址存储着Pointer to Object Instance Data和Pointer
to Object Class Data；另一种是该地址存储着Object Instance Data，其中又包含有Pointer to Object Class Data。



图1：间接方式



图2：直接方式

第一种方式，Java方法栈中有Handler Pool和Instance Pool，无论哪种方式，Object Class Data都是存储在方法区的，Object Instance Data都是存储在堆中的。

本地方法栈和Java方法栈相类似，这里不再赘述。

堆

堆是在启动虚拟机的时候划分出来的区域，其大小由参数或者默认参数指定。当虚拟机终止运行时，会释放堆内存 。一个JVM只有一个堆，它自然是线程共享的。堆中存储的是所有的Object Instant Data以及数组（不过随着栈上分配技术、标量替换技术等优化手段的发展，对象也不一定都存储在堆上了），这些Instance由垃圾管理器（Grabage Collector）管理，具体会在后面的章节阐述。

堆可以是由不连续的物理内存空间组成的，并且既可以固定大小，也可以设置为可扩展的（Scalable）。

方法区

通过上述Java方法栈的介绍，大家已经知道Object Class Data是存储在方法区的。除此之外，常量、静态变量、JIT编译后的代码也都都是在方法区。正因为方法去存储的数据与堆有一种类比关系，所以还被称为Non-Heap。方法区也可以是内存不连续的区域组成的，并且可设置为固定大小，也可以设置称为可扩展的，这点与堆一样。

方法区内部有一个非常重要的区域，叫做运行时常量池（Runtime Constant Pool，简称RCP）。在字节码文件中常量池（Constant Pool Table），用于存储编译器产生的字面量和符号引用。每个字节码文件中的常量池在类被加载后，都会存储到方法区中。值得注意的是，运行时产生的新常量也可以被放入常量池中，比如String类中的intern()方法产生的常量。

直接内存区

直接内存区并不是JVM管理的内存区域的一部分，而是其之外。该区域也会在Java开发中使用到，并且存在导致内存溢出的隐患。如果对NIO有所了解，应该会知道NIO是可以使用Native Methods来使用直接内存区的。