Java学习篇（二）—— C++和Java的区别之程序内存分布

上一篇介绍了C++和Java编译的区别和Java独有的网络编程，线程管理。这一篇主要介绍一下两者在程序运行时的内存空间。

内存分布

项目	C++ 程序	Java 程序（使用 JVM）
编译结果	直接生成机器码（如 .exe）	编译成 .class 字节码
执行方式	操作系统直接加载执行	需要 JVM 加载 .class 文件
启动时发生的事	操作系统创建进程并加载程序	操作系统创建 JVM 进程，JVM 加载类
所属进程	你的 C++ 程序本身就是进程	Java 程序是运行在 JVM 进程中的一段代码
内存分配方式	程序直接使用虚拟内存	JVM 申请虚拟内存再分出堆、栈等区域

C++的程序启动过程，是操作系统创建一个用户进程，运行C++程序。一个程序就是一个新的用户进程，有自己独立的内存空间（虚拟）。

Java的程序启动过程，与C++相比较，只是多了JVM的启动过程。Java程序也是一个进程，但是JVM的“客人”，必须在 JVM 虚拟机中运行。

由此可以判断出，为什么Java的线程管理这么方便，因为它的线程管理不依赖于操作系统，自由度也就更高。

C++程序内存分布

+-------------------+  高地址
|    栈区（Stack）   |  局部变量、函数调用帧
+-------------------+
|    堆区（Heap）    |  new / malloc 分配的内存
+-------------------+
|    全局区（静态区）|  static 和全局变量
+-------------------+
|    代码段（Text）  |  程序指令
+-------------------+  低地址

程序能够使用的最大内存为4GB，这个大小是PC指针能够寻址的最大范围，也是你的总线的位数。高位地址是内核空间，用来执行系统调用。在C/C++中内存分为5个区，分别为栈区、堆区、全局/静态存储区、常量存储区、代码区。

• 静态内存分配:编译时分配。包括:全局、静态全局、静态局部三种变量。
• 动态内存分配:运行时分配。包括:栈(stack): 局部变量。堆(heap): c语言中用到的变量被动态的分配在内存中。(malloc或calloc、realloc、free函数)

在 C++ 中，你创建的对象是放在「堆区」还是「栈区」，取决于你如何创建它。普通变量或自动对象创建在栈区，而new和malloc的对象则创建在堆区。

Java程序内存分布

Java 的内存分布由JVM管理，而C++的内存分布由操作系统直接管理。

Java的JVM是在操作系统虚拟内存之上的一个“虚拟机”，它向操作系统申请一块内存，然后自己划分成方法区、堆、栈等区域进行管理。Java虚拟机先运行，Java程序被“加载进去”。

+-------------------------+ 高地址
|  元空间 (Metaspace)     | 存类信息、静态变量、常量池（JDK8之后）
|  方法区（永久代，已废弃）| 存储类结构、方法数据等（JDK7及以前）
+-------------------------+
|  Java 堆（Heap）         | 对象实例分配的内存，大部分对象都在这里
+-------------------------+
|  虚拟机栈（每线程一个）   | 方法调用、局部变量表、操作数栈等
+-------------------------+
|  程序计数器              | 当前执行字节码的行号指示器
+-------------------------+
|  本地方法栈              | 用于执行 native 方法
+-------------------------+ 低地址

上图可知，Java的内存区包括两部分：线程私有部分———虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器，公共部分——堆、本地内存。

Java方法和Native方法

Java 方法是使用 Java 语言编写的方法，最终被编译成字节码（.class 文件中的Code属性），由 JVM 直接解释或编译执行。Native 方法是使用非 Java 语言（通常是 C/C++）编写的方法，并通过 JNI（Java Native Interface） 在 JVM 中调用。

私有部分

• 程序计数器：这个和CPU的PC指针是一样的，CPU的PC指针指向当前运行指令的物理内存地址，后续取指令，解析指令，运行指令。线程的程序计数器记录的是正在执行的字节码指令地址，这是一个增量，基于当前正在执行的方法的字节码数组上增加。

• 虚拟机栈：每一个线程在执行代码时，都需要栈区来记录局部变量、返回地址等信息，Java方法调用都是通过虚拟机栈来实现的，栈由一个个栈帧组成，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈（栈顶存放有当前方法调用之后的返回值）、动态链接（调用当前方法所需的引用）、方法返回地址（方法返回后继续执行的位置，也就是调用方法时当前PC的值）。所以对于线程而言，若要调用一个方法，然后返回至原来的位置，流程是：

  1. PC指针保存在当前栈帧的方法返回地址，创建新的栈帧，将参数保存在局部变量表，动态链接区对符号引用进行解析，将新的栈帧压栈。

  2. PC指针指向新的方法，开始执行字节码，将产生的变量和操作数保存在局部变量表和操作数栈。

  3. 执行完方法后，将返回值保存在操作数栈栈顶。将栈帧弹出，PC指针恢复为新的栈顶的方法返回地址，从弹出栈帧的操作数栈栈顶取执行结果。

• 本地方法栈：和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是：虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 （也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。

每个线程所执行的“代码”（即类的字节码）在方法区或堆中共享，自己的“变量”在JVM 栈（局部变量表）中，当前线程正在执行的字节码位置保存在程序计数器中。当线程需要修改共享区域时，使用锁。

共有部分

比较项	堆（Heap）	方法区（Method Area）
存放内容	实例对象	类的元数据、方法信息、静态变量、常量池等
作用	运行时对象分配	加载类结构信息、JIT 编译缓存、静态数据
生命周期	随 JVM 存在	随 JVM 存在
垃圾回收	对象回收	类卸载时才回收（较少发生）

上表用来比较堆和方法区的区别，也就是说方法区存在的只是方法，真正的实例化对象在堆，一个方法可以有很多个实例化对象。

• 堆：此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC堆（Garbage Collected Heap）。GC堆通过分代垃圾收集算法，控制对象年龄，更好地回收内存，或者更快地分配内存。

• 字符串常量池：是 JVM 为了提升性能和减少内存消耗针对字符串（String 类）专门开辟的一块区域，主要目的是为了避免字符串的重复创建。JDK 1.7以后从永久代移动到了堆中，来实现高效的内存回收。

• 方法区：方法区属于是当虚拟机要使用一个类时，它需要读取并解析 Class 文件获取相关信息，再将信息存入到方法区。方法区会存储已被虚拟机加载的 类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

• 运行时常量池：字面量是源代码中的固定值的表示法，即通过字面我们就能知道其值的含义。字面量包括整数、浮点数和字符串字面量。常见的符号引用包括类符号引用、字段符号引用、方法符号引用、接口方法符号。总的来说：编译器能确定的字面量和常量，符号引用。

符号引用（Symbolic Reference）是 Java 字节码中用于表示类、字段、方法等的一种 “符号形式” 的间接引用，在类未加载或链接前，它还不是一个内存地址或直接指针，而是“名字”+“描述符”等信息的组合。

• 直接内存：通过 JNI 的方式在本地内存上分配的。

参考资料

• C/C++ 内存布局与程序栈
• c/c++中的内存精讲之内存分配
• Java内存区域详解