Java 引以為豪的就是它的自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制。相比于 C++的手動(dòng)內(nèi)存管理、復(fù)雜難以理解的指針等，Java 程序?qū)懫饋?lái)就方便的多。

然而這種呼之即來(lái)?yè)]之即去的內(nèi)存申請(qǐng)和釋放方式，自然也有它的代價(jià)。為了管理這些快速的內(nèi)存申請(qǐng)釋放操作，就必須引入一個(gè)池子來(lái)延遲這些內(nèi)存區(qū)域的回收操作。

我們常說(shuō)的內(nèi)存回收，就是針對(duì)這個(gè)池子的操作。我們把上面說(shuō)的這個(gè)池子，叫作堆，可以暫時(shí)把它看成一個(gè)整體。

JVM 內(nèi)存布局

Java 程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是非常豐富的。其中的內(nèi)容，舉一些例子：

靜態(tài)成員變

動(dòng)態(tài)成員變量

區(qū)域變量

短小緊湊的對(duì)象聲明

龐大復(fù)雜的內(nèi)存申請(qǐng)

我們先看一下 JVM 的內(nèi)存布局。隨著 Java 的發(fā)展，內(nèi)存布局一直在調(diào)整之中。比如，Java 8 及之后的版本，徹底移除了持久代，而使用 Metaspace 來(lái)進(jìn)行替代。這也表示著 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 等參數(shù)調(diào)優(yōu)，已經(jīng)沒(méi)有了意義。但大體上，比較重要的內(nèi)存區(qū)域是固定的。

JVM 內(nèi)存區(qū)域劃分如圖所示，從圖中我們可以看出：

•  JVM 堆中的數(shù)據(jù)是共享的，是占用內(nèi)存最大的一塊區(qū)域。
•  可以執(zhí)行字節(jié)碼的模塊叫作執(zhí)行引擎。
•  執(zhí)行引擎在線程切換時(shí)怎么恢復(fù)？依靠的就是程序計(jì)數(shù)器。
•  JVM 的內(nèi)存劃分與多線程是息息相關(guān)的。像我們程序中運(yùn)行時(shí)用到的棧，以及本地方法棧，它們的維度都是線程。
•  本地內(nèi)存包含元數(shù)據(jù)區(qū)和一些直接內(nèi)存。

虛擬機(jī)棧

Java 虛擬機(jī)棧是基于線程的。哪怕你只有一個(gè) main() 方法，也是以線程的方式運(yùn)行的。在線程的生命周期中，參與計(jì)算的數(shù)據(jù)會(huì)頻繁地入棧和出棧，棧的生命周期是和線程一樣的。

棧里的每條數(shù)據(jù)，就是棧幀。在每個(gè) Java 方法被調(diào)用的時(shí)候，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，并入棧。一旦完成相應(yīng)的調(diào)用，則出棧。所有的棧幀都出棧后，線程也就結(jié)束了。每個(gè)棧幀，都包含四個(gè)區(qū)域：

•  局部變量表
•  操作數(shù)棧
•  動(dòng)態(tài)連接
•  返回地址 

我們的應(yīng)用程序，就是在不斷操作這些內(nèi)存空間中完成的。

本地方法棧是和虛擬機(jī)棧非常相似的一個(gè)區(qū)域，它服務(wù)的對(duì)象是 native 方法。你甚至可以認(rèn)為虛擬機(jī)棧和本地方法棧是同一個(gè)區(qū)域，這并不影響我們對(duì) JVM 的了解。

這里有一個(gè)比較特殊的數(shù)據(jù)類(lèi)型叫作 returnAdress。因?yàn)檫@種類(lèi)型只存在于字節(jié)碼層面，所以我們平常打交道的比較少。對(duì)于 JVM 來(lái)說(shuō)，程序就是存儲(chǔ)在方法區(qū)的字節(jié)碼指令，而 returnAddress 類(lèi)型的值就是指向特定指令內(nèi)存地址的指針。

•  這里有一個(gè)兩層的棧。第一層是棧幀，對(duì)應(yīng)著方法；第二層是方法的執(zhí)行，對(duì)應(yīng)著操作數(shù)。注意千萬(wàn)不要搞混了。
•  你可以看到，所有的字節(jié)碼指令，其實(shí)都會(huì)抽象成對(duì)棧的入棧出棧操作。執(zhí)行引擎只需要傻瓜式的按順序執(zhí)行，就可以保證它的正確性。

程序計(jì)數(shù)器

既然是線程，就代表它在獲取 CPU 時(shí)間片上，是不可預(yù)知的，需要有一個(gè)地方，對(duì)線程正在運(yùn)行的點(diǎn)位進(jìn)行緩沖記錄，以便在獲取 CPU 時(shí)間片時(shí)能夠快速恢復(fù)。

程序計(jì)數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。這里面存的，就是當(dāng)前線程執(zhí)行的進(jìn)度。下面這張圖，能夠加深大家對(duì)這個(gè)過(guò)程的理解。

可以看到，程序計(jì)數(shù)器也是因?yàn)榫€程而產(chǎn)生的，與虛擬機(jī)棧配合完成計(jì)算操作。程序計(jì)數(shù)器還存儲(chǔ)了當(dāng)前正在運(yùn)行的流程，包括正在執(zhí)行的指令、跳轉(zhuǎn)、分支、循環(huán)、異常處理等。

我們可以看一下程序計(jì)數(shù)器里面的具體內(nèi)容。下面這張圖，就是使用 javap 命令輸出的字節(jié)碼。大家可以看到在每個(gè) opcode 前面，都有一個(gè)序號(hào)。就是圖中紅框中的偏移地址，你可以認(rèn)為它們是程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容。

堆 

堆是 JVM 上最大的內(nèi)存區(qū)域，我們申請(qǐng)的幾乎所有的對(duì)象，都是在這里存儲(chǔ)的。我們常說(shuō)的垃圾回收，操作的對(duì)象就是堆。

堆空間一般是程序啟動(dòng)時(shí)，就申請(qǐng)了，但是并不一定會(huì)全部使用。

隨著對(duì)象的頻繁創(chuàng)建，堆空間占用的越來(lái)越多，就需要不定期的對(duì)不再使用的對(duì)象進(jìn)行回收。這個(gè)在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。

由于對(duì)象的大小不一，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，堆空間會(huì)被許多細(xì)小的碎片占滿，造成空間浪費(fèi)。所以，僅僅銷(xiāo)毀對(duì)象是不夠的，還需要堆空間整理。這個(gè)過(guò)程非常的復(fù)雜。

那一個(gè)對(duì)象創(chuàng)建的時(shí)候，到底是在堆上分配，還是在棧上分配呢？這和兩個(gè)方面有關(guān)：對(duì)象的類(lèi)型和在 Java 類(lèi)中存在的位置。

Java 的對(duì)象可以分為基本數(shù)據(jù)類(lèi)型和普通對(duì)象。

對(duì)于普通對(duì)象來(lái)說(shuō)，JVM 會(huì)首先在堆上創(chuàng)建對(duì)象，然后在其他地方使用的其實(shí)是它的引用。比如，把這個(gè)引用保存在虛擬機(jī)棧的局部變量表中。

對(duì)于基本數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)說(shuō)（byte、short、int、long、float、double、char)，有兩種情況。

我們上面提到，每個(gè)線程擁有一個(gè)虛擬機(jī)棧。當(dāng)你在方法體內(nèi)聲明了基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的對(duì)象，它就會(huì)在棧上直接分配。其他情況，都是在堆上分配。

注意，像 int[] 數(shù)組這樣的內(nèi)容，是在堆上分配的。數(shù)組并不是基本數(shù)據(jù)類(lèi)型。

這就是 JVM 的基本的內(nèi)存分配策略。而堆是所有線程共享的，如果是多個(gè)線程訪問(wèn)，會(huì)涉及數(shù)據(jù)同步問(wèn)題。

元空間

關(guān)于元空間，我們還是以一個(gè)非常高頻的面試題開(kāi)始：“為什么有 Metaspace 區(qū)域？它有什么問(wèn)題？”

說(shuō)到這里，你應(yīng)該回想一下類(lèi)與對(duì)象的區(qū)別。對(duì)象是一個(gè)活生生的個(gè)體，可以參與到程序的運(yùn)行中；類(lèi)更像是一個(gè)模版，定義了一系列屬性和操作。那么你可以設(shè)想一下。我們前面生成的 A.class，是放在 JVM 的哪個(gè)區(qū)域的？

想要問(wèn)答這個(gè)問(wèn)題，就不得不提下 Java 的歷史。在 Java 8 之前，這些類(lèi)的信息是放在一個(gè)叫 Perm 區(qū)的內(nèi)存里面的。更早版本，甚至 String.intern 相關(guān)的運(yùn)行時(shí)常量池也放在這里。這個(gè)區(qū)域有大小限制，很容易造成 JVM 內(nèi)存溢出，從而造成 JVM 崩潰。

Perm 區(qū)在 Java 8 中已經(jīng)被徹底廢除，取而代之的是 Metaspace。原來(lái)的 Perm 區(qū)是在堆上的，現(xiàn)在的元空間是在非堆上的，這是背景。關(guān)于它們的對(duì)比，可以看下這張圖。

然后，元空間的好處也是它的壞處。使用非堆可以使用操作系統(tǒng)的內(nèi)存，JVM 不會(huì)再出現(xiàn)方法區(qū)的內(nèi)存溢出；但是，無(wú)限制的使用會(huì)造成操作系統(tǒng)的死亡。所以，一般也會(huì)使用參數(shù) -XX:MaxMetaspaceSize 來(lái)控制大小。

方法區(qū)，作為一個(gè)概念，依然存在。它的物理存儲(chǔ)的容器，就是 Metaspace。現(xiàn)在，只需要了解到，這個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)的內(nèi)容，包括：類(lèi)的信息、常量池、方法數(shù)據(jù)、方法代碼就可以了。

小結(jié)

•  我們常說(shuō)的字符串常量，存放在哪呢？

由于常量池，在 Java 7 之后，放到了堆中，我們創(chuàng)建的字符串，將會(huì)在堆上分配。

•  堆、非堆、本地內(nèi)存，有什么關(guān)系？

關(guān)于它們的關(guān)系，我們可以看一張圖。在我的感覺(jué)里，堆是軟綿綿的，松散而有彈性；而非堆是冰冷生硬的，內(nèi)存非常緊湊。

大家都知道，JVM 在運(yùn)行時(shí)，會(huì)從操作系統(tǒng)申請(qǐng)大塊的堆內(nèi)內(nèi)存，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。但是，堆外內(nèi)存也就是申請(qǐng)后操作系統(tǒng)剩余的內(nèi)存，也會(huì)有部分受到 JVM 的控制。比較典型的就是一些 native 關(guān)鍵詞修飾的方法，以及對(duì)內(nèi)存的申請(qǐng)和處理。

在 Linux 機(jī)器上，使用 top 或者 ps 命令，在大多數(shù)情況下，能夠看到 RSS 段（實(shí)際的內(nèi)存占用），是大于給 JVM 分配的堆內(nèi)存的。

如果你申請(qǐng)了一臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)存為 2GB 的主機(jī)，可能 JVM 能用的就只有 1GB，這便是一個(gè)限制。

總結(jié)

JVM 的運(yùn)行時(shí)區(qū)域是棧，而存儲(chǔ)區(qū)域是堆。很多變量，其實(shí)在編譯期就已經(jīng)固定了。