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Java内存管理第二篇 - 内存的分配

时间:2015-05-18 10:55:01      阅读:152      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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Java内存管理无非就是对内存进行分配和释放。对于分配来说,基本类型和对象的引用存储到栈中,常量存储到常量池中,对象存储到堆上,这是一般的分配。而对于回收来说要复杂的多,如果回收不好,还可能造成分配出去的内存得不到回收而造成内存泄漏。

    这一篇将简单介绍一下Java内存的分配,下一篇将介绍内存的回收及内存泄漏等知识。


1、JVM内存模型



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1、程序计数器(Program Counter Register)

    

   程序计数器是一个比较小的内存区域,用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行,可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时,会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。每个程序计数器只用来记录一个线程的行号,所以它是线程私有的。  

  如果程序执行的是一个Java方法,则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址;如果正在执行的是一个本地(native,由C语言编写完成)方法,则计数器的值为Undefined,由于程序计数器只是记录当前指令地址,所以不存在内存溢出的情况,因此,程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。


2、虚拟机栈(JVM Stack)

    

   一个线程的每个方法在执行的同时,都会创建一个栈帧(Statck Frame),栈帧中存储的有局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等,当方法被调用时,栈帧在JVM栈中入栈,当方法执行完成时,栈帧出栈。

  局部变量表中存储着方法的相关局部变量,包括各种基本数据类型,对象的引用,返回地址等。在局部变量表中,只有long和double类型会占用2个局部变量空间(Slot,对于32位机器,一个Slot就是32个bit),其它都是1个Slot。需要注意的是,局部变量表是在编译时就已经确定好的,方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的,在方法的生命周期内都不会改变

  虚拟机栈中定义了两种异常,如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度,则抛出StatckOverFlowError(栈溢出);不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的),所以线程可以一直申请栈,直到内存不足,此时,会抛出OutOfMemoryError(内存溢出)。

  每个线程对应着一个虚拟机栈,因此虚拟机栈也是线程私有的。  


3、本地方法栈(Native Method Statck)

    

    本地方法栈在作用,运行机制,异常类型等方面都与虚拟机栈相同,唯一的区别是:虚拟机栈是执行Java方法的,而本地方法栈是用来执行native方法的,在很多虚拟机中(如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机),会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。

  本地方法栈也是线程私有的。


4、堆区(Heap)

    

    堆区是理解Java GC机制最重要的区域,没有之一。在JVM所管理的内存中,堆区是最大的一块,堆区也是Java GC机制所管理的主要内存区域,堆区由所有线程共享,在虚拟机启动时创建。堆区的存在是为了存储对象实例,原则上讲,所有的对象都在堆区上分配内存(不过现代技术里,也不是这么绝对的,也有栈上直接分配的)。

  一般的,根据Java虚拟机规范规定,堆内存需要在逻辑上是连续的(在物理上不需要),在实现时,可以是固定大小的,也可以是可扩展的,目前主流的虚拟机都是可扩展的。如果在执行垃圾回收之后,仍没有足够的内存分配,也不能再扩展,将会抛出OutOfMemoryError:Java heap space异常。


5、方法区(Method Area)

    

    在Java虚拟机规范中,将方法区作为堆的一个逻辑部分来对待,但事实上,方法区并不是堆(Non-Heap);另外,不少人的博客中,将Java GC的分代收集机制分为3个代:青年代,老年代,永久代,这些作者将方法区定义为“永久代”,这是因为,对于之前的HotSpot Java虚拟机的实现方式中,将分代收集的思想扩展到了方法区,并将方法区设计成了永久代。不过,除HotSpot之外的多数虚拟机,并不将方法区当做永久代,HotSpot本身,也计划取消永久代。本文中,由于笔者主要使用Oracle JDK6.0,因此仍将使用永久代一词。

  方法区是各个线程共享的区域,用于存储已经被虚拟机加载的类信息(即加载类时需要加载的信息,包括版本、field、方法、接口等信息)、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。

  方法区在物理上也不需要是连续的,可以选择固定大小或可扩展大小,并且方法区比堆还多了一个限制:可以选择是否执行垃圾收集。一般的,方法区上执行的垃圾收集是很少的,这也是方法区被称为永久代的原因之一(HotSpot),但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集,其上的垃圾收集主要是针对常量池的内存回收和对已加载类的卸载。

  在方法区上进行垃圾收集,条件苛刻而且相当困难,效果也不令人满意,所以一般不做太多考虑,可以留作以后进一步深入研究时使用。

  在方法区上定义了OutOfMemoryError:PermGen space异常,在内存不足时抛出。

  运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分,用于存储编译期就生成的字面常量、符号引用、翻译出来的直接引用符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置,直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址,将在类链接阶段完成翻译;运行时常量池除了存储编译期常量外,也可以存储在运行时间产生的常量(比如String类的intern()方法,作用是String维护了一个常量池,如果调用的字符“abc”已经在常量池中,则返回池中的字符串地址,否则,新建一个常量加入池中,并返回地址)。


6、直接内存(Direct Memory)

    

    直接内存并不是JVM管理的内存,可以这样理解,直接内存,就是JVM以外的机器内存,比如,你有4G的内存,JVM占用了1G,则其余的3G就是直接内存,JDK中有一种基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)的内存分配方式,将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中,用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用。由于直接内存收到本机器内存的限制,所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。


2、数据在内存中的分配


1、基本类型及包装类型

       

        基本类型都存储在栈内,这样可以提高程序执行的效率。但是需要注意基本类型的包装类型。包装类型是一个对象,所以属于引用类型,存储在堆中。其所需要的存储空间大小至少是12byte(声明一个空Object至少需要的空间),而且12byte没有包含任何有效信息,同时,因为Java对象大小是8的整数倍,因此一个基本类型包装类的大小至少是16byte。这个内存占用是很恐怖的,它是使用基本类型的N倍(N>2),有些类型的内存占用更是夸张。因此,可能的话应尽量少使用包装类。在JDK5.0以后,因为加入了自动类型装换,因此,Java虚拟机会在存储方面进行相应的优化。


2、引用类型 

     

       基本数据的类型的大小是固定的,对于非基本类型的Java对象,需要经过计算得知。 在Java中,一个空Object对象的大小是8byte,这个大小只是保存堆中一个没有任何属性的对象的大小。如

  1. Object ob = new Object();  

      这样在程序中完成了一个Java对象的生命,但是它所占的空间为:4byte+8byte。4byte是上面部分所说的Java栈中保存引用的所需要的空间。而那8byte则是Java堆中对象的信息。因为所有的Java非基本类型的对象都需要默认继承Object对象,因此不论什么样的Java对象,其大小都必须是大于8byte。

  1. Class NewObject {  
  2.       int count;  
  3.       boolean flag;  
  4.       Object ob;  
  5. }     

    其大小为:空对象大小(8byte)+int大小(4byte)+Boolean大小(1byte)+空Object引用的大小(4byte)=17byte。但是因为Java在对对象内存分配时都是以8的整数倍来分,因此大于17byte的最接近8的整数倍的是24,因此此对象的大小为24byte。       

接下来看一下Java的引用类型访问。一般来说,一个Java的引用访问涉及到3个内存区域:虚拟机栈,堆,方法区:

  • Object obj表示一个本地引用,存储在JVM栈的本地变量表中,表示一个reference类型数据,值为null,空对象不不能使用,因为它没有任何的引用实体。
  • new Object()作为实例对象数据存储在堆中,,在堆内存中为类的成员变量分配内存,并将其初始化为各数据类型的默认值;接着进行显式初始化;最后调用构造方法,为成员变量赋值。返回堆内存中对象的引用(相当于首地址)给引用变量obj,以后就可以通过obj来引用堆内存中的对象了。
  • 堆中还记录了Object类的类型信息(接口、方法、field、对象类型等)的地址,这些地址所执行的数据存储在方法区中;

在Java虚拟机规范中,对于通过reference类型引用访问具体对象的方式并未做规定,目前主流的实现方式主要有两种:

1、通过句柄访问(图来自于《深入理解Java虚拟机:JVM高级特效与最佳实现》):

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通过句柄访问的实现方式中,JVM堆中会专门有一块区域用来作为句柄池,存储相关句柄所执行的实例数据地址(包括在堆中地址和在方法区中的地址)。这种实现方法由于用句柄表示地址,因此十分稳定。

2、通过直接指针访问:(图来自于《深入理解Java虚拟机:JVM高级特效与最佳实现》)

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 通过直接指针访问的方式中,reference中存储的就是对象在堆中的实际地址,在堆中存储的对象信息中包含了在方法区中的相应类型数据。这种方法最大的优势是速度快,在HotSpot虚拟机中用的就是这种方式。

   接下来看一下实际中最常用的数组的存储。在栈内存中创建一个数组引用,通过该引用(即数组名)来引用数组。x=new int[3];将在堆内存中分配3个保存 int型数据的空间,堆内存的首地址放到栈内存中,每个数组元素被初始化为0。        

3、静态变量

    

    其实在引用类型中最为特殊的就是加static关键字的全局变量。存储在线程可以共享的方法区中,这个区中包含所有的class和static变量,在整个程序中永远唯一的元素。所以如果某一处修改了static变量,则其它地方的引用将全部受到修改的影响。


4、特殊的String字符串


String是一个特殊的包装类数据。可以用以下两种方式创建:

  1. String str = new String("abc");  
  2. String str = "abc";  

第一种创建方式,和普通对象的的创建过程一样;
第二种创建方式,java内部将此语句转化为以下几个步骤:

  1. (1)先定义一个名为str的对String类的对象引用变量:String str;
  2. (2)在栈中查找有没有存放值为"abc"的地址,如果没有,则开辟一个存放字面值为"abc"址,接着创建一个新的String类的对象o,并将o的字符串值指向这个地址,而且在栈这个地 址旁边记下这个引用的对象o。如果已经有了值为"abc"的地址,则查找对象o,并回o的地址。
  3. (3)将str指向对象o的地址。
值得注意的是,一般String类中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc";这种合下,其字符串值却是保存了一个指向存在栈中数据的引用。
为了更好地说明这个问题,我们可以通过以下的几个代码进行验证。
  1. String str1="abc";
  2. String str2="abc";
  3. System.out.println(s1==s2);//true

注意,这里并不用 str1.equals(str2);的方式,因为这将比较两个字符串的值是否相等。==号,根据JDK的说明,只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。而我们在这里要看的是,str1与str2是否都指向了同一个对象。
我们再接着看以下的代码。

  1. String str1= new String("abc");
  2. String str2= "abc";
  3. System.out.println(str1==str2); //false

创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。
以上两段代码说明,只要是用new()来新建对象的,都会在堆中创建,而且其字符串是单独存值的,即使与栈中的数据相同,也不会与栈中的数据共享。


Java内存管理第二篇 - 内存的分配

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原文地址:http://blog.csdn.net/qhairen/article/details/45815871

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