JVM内存管理

前几天公司的郑大晔校上，XXX同事做了JVM的Session，于是趁端午节放假的功夫，研究了一些JVM相关的知识。

在Java生态系统中，JVM占据至关重要的作用，就像一个适配器，它向编程语言（主要是Java）屏蔽了操作系统的差异，所以实现了“一次编写，到处运行”的理想；同时也向操作系统屏蔽了编程语言之间的差异，能让Java、Clojure、JRuby、JPython、Groovy等高级语言运行于Java虚拟机之上；可以说，JVM完全实现了跨系统跨语言的支持。

如果以Jeffery Richter的眼光看来，JVM在某种程度上，也应该算作是它自己的操作系统，因为它有自己的内存管理器、自己的安全系统、自己的文件加载器，自己的错误处理机制、自己的线程处理模型；总之一句话，JVM是相当的牛B。

（跑题一下，正所谓“理想很丰满、现实很骨干”，iOS上根本无法运行JVM，原因很简单，苹果公司禁止在iOS中使用及时编译；这也是为什么Mono在开发完成后也只得将源代码直接编译为Native Code；可能很多人会说，我们不能用边解释边执行的方式在iOS上运行Java程序么？至于这个问题，下面再谈......归根结底，“一次编写，到处运行”有时候并不是你想像的那样牛X）。

言归正传，自Java诞生以来，历史上曾产生过很多优秀的虚拟机，最出名的要数Sun公司的Classic VM和HotSpot VM，前者在JDK1.1和1.2时使用得比较多，它是用纯解释器的方式来执行Java代码，一发布后便引起了极大的轰动，当然也为Java博得了“Java语言很慢”的“美誉”；但随着虚拟机技术的不断发展和理论的不断完善，在JDK1.2之后Sun公司发布了新一代的虚拟机-----HotSpot VM，开发人员在这款虚拟机中内置了JIT编译器并使之具有了热点代码探测能力，及如果一段Java方法被调用次数达到了一定程度之后，就会被视为热点代码并交给JIT编译器及时编译成本地代码，以提高运行速度。

JVM的一个重要的特征就是它的自动内存管理机制，在执行一段Java代码的时候，会把它所管理的内存划分成几个不同的数据区域，其中包括：

1. 程序计数器，众所周知，JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配CPU执行时间的方式来实现的，那么每一个线程在切换后都必须记住它所执行的字节码的行号，以便线程在得到CPU时间时进行恢复，这个计数器用于记录正在执行的字节码指令的地址，这里要强调的是“字节码”，如果执行的是Native方法，那么这个计数器应该为null；
2. Java计算栈，可以说整个Java程序的执行就是一个出栈入栈的过程，JVM会为每一个线程创建一个计算栈，用于记录线程中方法的调用和变量的创建，由于在计算栈里分配的内存出栈后立即被抛弃，因此在计算栈里不存在垃圾回收，如果线程请求的栈深度大于JVM允许的深度，会抛出StackOverflowError异常，在内存耗尽时会抛出OutOfMemoryError异常；
3. Native方法栈，JVM在调用操作系统本地方法的时候会使用到这个栈；
4. Java堆，由于每个线程分配到的计算栈容量有限，对于可能会占据大量内存的对象，则会被分配到Java堆中，在栈中包含了指向该对象内存的地址；对于一个Java程序来说，只有一个Java堆，也就是说，所有线程共享一个堆中的对象；由于Java堆不受线程的控制，如果在一个方法结束之后立即回收这个方法使用到的对象，并不能保证其他线程是否正在使用该对象；因此堆中对象的回收由JVM的垃圾收集器统一管理，和某一个线程无关；在HotSpot虚拟机中Java堆被划分为三代：
   • 新生代，正常情况下新创建的对象会被分配到新生代，但如果对象占据的内存足够大以致超过了新生代的容量限制，也可能被分配到老年代；新生代对象的一个特点是最新、且生命周期不长，被回收的可能性高；
   • 老年代，除了上述所说的大对象会被直接分配在老年代之外，一个在新生代的对象历经多次垃圾回收之后，也会被直接拷贝至老年代，当然老年代的容量要比新生代大得多；
   • 永久代，永久代并不存储对象，而是存储一些JVM加载的类信息、常量、静态变量、JIT编译后生成的代码等，JVM也会在内存空间不足的情况下对永久代进行回收；
5. 直接内存，自JDK1.4新加入NIO类之后，Java程序便可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在堆中的DirectByteBuffer对象来对这块内存的引用进行操作；直接内存的容量不受堆容量的限制。