第二部分自动内存管理

1. 概述

对于从事C、C++程序开发的开发人员来说，在内存管理领域，他们既是拥有最高权力的“皇帝”，又是从事最基础工作的劳动人民——既拥有每一个对象的“所有权”，又担负着每一个对象生命从开始到终结的维护责任。

对于Java程序员来说，在虚拟机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，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，看起来由虚拟机管理内存一切都很美好。不过，也正是因为Java程序员把控制内存的权力交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那排查错误、修正问题将会成为一项异常艰难的工作。

2. 运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范》的规定。

Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：

程序计数器
方法区
java 虚拟机栈
本地方法栈
java 堆

Java虚拟机运行时数据区.png

程序计数器（Program Counter Register）

当前线程所执行的字节码的行号指示器，占用的内存很小，可以忽略
线程私有，每个线程都有自己独立的程序计数器
执行 Java 方法时，程序计数器是有值的，且记录的是正在执行的字节码指令的地址
执行本地方法时，程序计数器的值为空（Undefined），因为 native 方法时 java 通过 JNI（Java 本地接口）直接调用本地的 C/C++ 库，由于此方法是通过 C/C++ 实现的，无法生成字节码文件，所以其在执行时内存的分配不是由 JVM 决定的
另外，JVM 中只有程序计数器没有规定任何 OutOfMemoryError，因为程序运行过程中只是改变计数器中的值，而不会随着程序的运行需要更大的空间，也就不会发生溢出情况

解释：

TestProgramCounter.java

public class TestProgramCounter {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = getAdd(a, b);
        System.out.println(c);
    }

    private static int getAdd(int a, int b) {
        return a + b;
    }

}

javac TestProgramCounter.java  //编译文件

javap -c TestProgramCounter.class  //查看编译后的class文件中数据格式

Compiled from "TestProgramCounter.java"
public class TestProgramCounter {
  public TestProgramCounter();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: iconst_1
       1: istore_1
       2: iconst_2
       3: istore_2
       4: iload_1
       5: iload_2
       6: invokestatic  #2                  // Method getAdd:(II)I
       9: istore_3
      10: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      13: iload_3
      14: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      17: return
}

程序计数器描述.png

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

线程私有，生命周期与线程相同
每个方法被执行的时候会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译期可知的基本数据类型、对象引用和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据占用两个变量槽，其余数据类型只占用一个。
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Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stacks）

线程私有，本地方法栈与Java虚拟机栈所发挥的作用是非常相似，虚拟机执行Java方法（也就是字节码），本地方法栈执行本地方法。
与Java虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常.

Java堆（Java Heap）

线程共享，“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存，Java堆是占用内存最大的
Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提升对象分配时的效率
Java堆处于物理上不连续的内存空间中，在逻辑上它应该被视为连续的
Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）
如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常

方法区（Method Area）

线程共享，这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，被称为永久代
对常量池的回收和对类型的卸载
存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据
不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，甚至还可以选择不实现垃圾收集
方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

运行时常量池是方法区的一部分。
Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table）
存放编译期生成的各种字面量与符号引用，在类加载后存放到运行时常量池中。由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。
运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法
运行时常量池是方法区的一部分，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

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
NIO（New Input/Output）类引入了一种基于通道（Channel）与缓冲（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，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，这样能在一些场景中显著提高性能。
既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置完虚拟机参数，经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

参考自：
《深入理解Java虚拟机》（第3版）周志明