转载

JAVA内存区域总结：面试需要了解的基本概念

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。

具体分为以下几个部分：

程序计数器
JAVA虚拟机栈
本地方法栈
JAVA堆
方法区
直接内存

2. 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是 当前线程所执行的字节码的行号指示器 。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。

因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为 线程私有 的内存。

内存溢出情况

此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

3. JAVA虚拟机栈

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：

每个方法被执行的时候，Java虚拟机都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。
Java虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

3.1 局部变量表

局部变量表内容：编译期可知的各种Java虚拟机的：

基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）
对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）
returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

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类型的数据会占用两个变量槽。（由虚拟机决定大小）

内存分配时机：局部变量表所需的内存空间在 编译期间 完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

3.2 内存溢出情况

StackOverflowError异常：当线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度。
OutOfMemoryError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。

4. 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的。其区别是：

虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务。
本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

内存溢出情况

StackOverflowError和 OutOfMemoryError异常 ：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。

5. JAVA堆

Java堆是 被所有线程共享 的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。

此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。
Java堆是 垃圾收集器管理的内存区域 ，因此一些资料中它也被称作“GC堆”。

根据《Java虚拟机规范》的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的。

但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。

内存溢出情况

Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的。

通过参数-Xmx和-Xms设定。

OutOfMemoryError异常：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。

6. 方法区

方法区是 各个线程共享 的内存区域。

它用于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。

在JDK 8以前，Java程序员都习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序，所以更愿意把 方法区 称呼为 永久代 。

使用永久代来实现方法区的决定并不是一个好主意，这种设计导致了Java应用更容易遇到内存溢出的问题。

本质上这两者并不是等价的，因为仅仅是当时的HotSpot虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样使得HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。

在JDK 8中，完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的 元空间 来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

JDK 7的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出。

6.1 运行时常量池

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）。

用于存放编译期生成的 各种字面量与符号引用 ，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把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。
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，也就是说，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池， 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 。

6.2 内存溢出情况

OutOfMemoryError异常：在方法区无法满足新的内存分配需求时

7. 直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（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。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

内存溢出情况

OutOfMemoryError异常：一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置-Xmx等参数信息，但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。

8. 常见内存溢出总结

8.1 静态集合类

当HashMap、LinkedList等等这些容器为静态的。

那么它们的生命周期与程序一致，则容器中的对象在程序结束之前将不能被释放，从而造成内存泄漏。

总结： 长生命周期 的对象持有 短生命周期对象 的引用，尽管短生命周期的对象不再使用，但是因为长生命周期对象持有它的引用而导致不能被回收。

8.2 各种连接

例如：数据库连接、网络连接和IO连接等。

在对数据库进行操作的过程中，首先需要建立与数据库的连接。当不再使用时，需要调用close方法来释放与数据库的连接。

只有连接被关闭后，垃圾回收器才会回收对应的对象。否则，如果在访问数据库的过程中，对Connection、Statement或ResultSet不显性地关闭，将会造成大量的对象无法被回收，从而引起内存泄漏。

8.3 变量不合理的作用域

一个变量的定义的作用范围大于其使用范围，很有可能会造成内存泄漏。

函数内部的变量写在类中，当这个变量没有作用的时候，但是和类的声明周期一样长。
建议使用局部变量。

8.4 内部类持有外部类

如果一个 外部类的实例 对象的方法返回了一个 内部类的实例对象 ，这个内部类对象被长期引用了，即使那个外部类实例对象不再被使用， 但由于内部类持有外部类的实例对象 ，这个 外部类对象将不会被垃圾回收 ，这也会造成内存泄露。

8.5 改变哈希值

当一个对象被存储进HashSet集合中以后，就不能修改这个对象中的那些参与计算哈希值的字段了。

否则，对象修改后的哈希值与最初存储进HashSet集合中时的哈希值就不同了。
在这种情况下，即使在contains方法使用该对象的当前引用作为的参数去HashSet集合中检索对象，也将返回找不到对象的结果。
这也会导致无法从HashSet集合中单独删除当前对象，造成内存泄露。

建议使用 final 类型的类（String、Integer）。

8.6未显示置为null

这种情况看下面程序。

当进行大量的pop操作时，由于引用未进行置空，gc是不会释放的

import java.util.Arrays;

public class Stack {
    private Object[] elements;
    private int size = 0;
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;
    public Stack() {
        elements = new Object[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    }
    public void push(Object e) {
        ensureCapacity();
        elements[size++] = e;
    }
    public Object pop() {
        if (size == 0)
            throw new EmptyStackException();
        return elements[--size];
    }
    private void ensureCapacity() {
        if (elements.length == size)
            elements = Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1);
    }
}
复制代码