Java内存区域

1、如何解释 Java 堆空间及 GC？

当通过 Java 命令启动 Java 进程的时候，会为它分配内存。内存的一部分用于创建

堆空间，当程序中创建对象的时候，就从对空间中分配内存。GC 是 JVM 内部的一

个进程，回收无效对象的内存用于将来的分配。

2、JVM 的主要组成部分及其作用？

组成部分：

• JVM 包含两个子系统和两个组件，两个子系统为：Class loader(类装载)和

  Executionengine(执行引擎)；

• 两个组件为 Runtime data area(运行时数据区)、Native Interface(本地接

  口)。

1. Class loader(类装载)：
   根据给定的全限定名类名(如：java.lang.Object)来装载class 文件到

   Runtime data area 中的 method area。

2. Execution engine（执行引擎）：执行 classes 中的指令。

3. Native Interface(本地接口)：与 native libraries 交互，是其它编程语言交

   互的接口。

4. Runtime data area(运行时数据区域)：这就是我们常说的 JVM 的内存。

作用：

首先通过编译器把 Java 代码转换成字节码，类加载器（ClassLoader）再把字节

码加载到内存中，将其放在运行时数据区（Runtime data area）的方法区内，而

字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行,因

此需要特定的命令解析器执行引擎（Execution Engine),将字节码翻译成底层系统

指令，再交由 CPU 去执行,而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口（Native

Interface）来实现整个程序的功能。

3、Java 程序运行机制详细说明

Java 程序运行机制步骤

• 首先利用 IDE 集成开发工具编写 Java 源代码，源文件的后缀为.java；

• 再利用编译器(javac 命令)将源代码编译成字节码文件，字节码文件的后缀名

  为.class；

• 运行字节码的工作是由解释器(java 命令)来完成的。

从上图可以看，java 文件通过编译器变成了.class 文件，接下来类加载器又将这

些.class 文件加载到 JVM 中。

其实可以一句话来解释：类的加载指的是将类的.class 文件中的二进制数据读入到

内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class

对象，用来封装类在方法区内的数据结构。

4、JVM 内存模型

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存区域划分为若干个不同

的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有些区域随着虚

拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖线程的启动和结束而建立和销毁。Java

虚拟机所管理的内存被划分为如下几个区域：

1. 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，字节码解析器的工作是通过改变这个计数器的值，来选取下一条

   需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功

   能，都需要依赖这个计数器来完成；

2. Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：用于存储局部变量表、操

   作数栈、动态链接、方法出口等信息；

3. 本地方法栈（Native Method Stack）：与虚拟机栈的作用是一样的，只不

   过虚拟机栈是服务 Java 方法的，而本地方法栈是为虚拟机调用 Native 方法

   服务的；

• Java 堆（Java Heap）：Java 虚拟机中内存最大的一块，是被所有线程共享

  的，几乎所有的对象实例都在这里分配内存；

• 方法区（Methed Area）：用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态

  变量、即时编译后的代码等数据。

深拷贝和浅拷贝

• 浅拷贝（shallowCopy）只是增加了一个指针指向已存在的内存地址；

• 深拷贝（deepCopy）是增加了一个指针并且申请了一个新的内存，使这个增

  加的指针指向这个新的内存；

使用深拷贝的情况下，释放内存的时候不会因为出现浅拷贝时释放同一个内存的错

误。

• 浅复制：仅仅是指向被复制的内存地址，如果原地址发生改变，那么浅复制

  出来的对象也会相应的改变。

• 深复制：在计算机中开辟一块新的内存地址用于存放复制的对象。

堆栈的区别

物理地址

• 堆的物理地址分配对对象是不连续的。因此性能慢些。在 GC 的时候也要考
  虑到不连续的分配，所以有各种算法。比如，标记-消除，复制，标记-压缩，分代（即新生代使用复制算法，老年代使用标记——压缩）。

• 栈使用的是数据结构中的栈，先进后出的原则，物理地址分配是连续的。所

  以性能快。

内存分别

• 堆因为是不连续的，所以分配的内存是在运行期确认的，因此大小不固定。一般

  堆大小远远大于栈。

• 栈是连续的，所以分配的内存大小要在编译期就确认，大小是固定的。

存放的内容

• 堆存放的是对象的实例和数组。因此该区更关注的是数据的存储

• 栈存放：局部变量，操作数栈，返回结果。该区更关注的是程序方法的执行。

例如：

1. 静态变量放在方法区

2. 静态的对象还是放在堆

程序的可见度

• 堆对于整个应用程序都是共享、可见的。

• 栈只对于线程是可见的。所以也是线程私有。他的生命周期和线程相同。

Java 中堆和栈的区别

JVM 中堆和栈属于不同的内存区域，使用目的也不同。栈常用于保存方法帧和局部

变量，而对象总是在堆上分配。栈通常都比堆小，也不会在多个线程之间共享，而堆

被整个JVM 的所有线程共享。

队列和栈是什么？有什么区别？

队列和栈都是被用来预存储数据的。

• 操作的名称不同。队列的插入称为入队，队列的删除称为出队。栈的插入称

  为进栈，栈的删除称为出栈。

• 可操作的方式不同。队列是在队尾入队，队头出队，即两边都可操作。而栈

  的进栈和出栈都是在栈顶进行的，无法对栈底直接进行操作。

• 操作的方法不同。队列是先进先出（FIFO），即队列的修改是依先进先出的

  原则进行的。新来的成员总是加入队尾（不能从中间插入），每次离开的成员

  总是队列头上（不允许中途离队）。而栈为后进先出（LIFO）,即每次删除（出

  栈）的总是当前栈中最新的元素，即最后插入（进栈）的元素，而最先插入的

  被放在栈的底部，要到最后才能删除。

虚拟机栈(线程私有)

1. 它是描述 java 方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧

   （Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

   每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到

   出栈的过程。

2. 栈帧（ Frame）是用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处

   理动态链接(Dynamic Linking),方法返回值和异常分派(DispatchException）。

   栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是

   异常完成（抛出了在方法内未被捕获的异常）都算作方法束。

程序计数器(线程私有)

一块较小的内存空间, 是当前线程所执行的字节码的行号指示器，每条线程都

要有一个独立的程序计数器，这类内存也称为“线程私有” 的内存。

正在执行 java 方法的话，计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址（当前指

令的地址） 。如果还是 Native 方法，则为空。这个内存区域是唯一一个在

虚拟机中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

什么是直接内存？

直接内存并不是 JVM 运行时数据区的一部分, 但也会被频繁的使用: 在JDK 1.4 引入

的 NIO 提供了基于 Channel 与 Buffer 的 IO 方式, 它可以使用 Native 函数库直接

分配堆外内存, 然后使用 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作(详见:

Java I/O 扩展), 这样就避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据, 因此在一些

场景中可以显著提高性能。

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