探索Java記憶體分配

引子

這兩天有個同事抓耳撓腮地糾結：Java到底是值傳遞還是引用傳遞。百思不得其姐，他將這個問題拋給大家一起討論。於是，有的人說傳值，有的人說傳引用；不管哪方都覺得自己的理解是正確無誤的。我覺得：要回答這個問題不妨先擱置這個問題，先往這個問題的上游走走──Java記憶體分配。一提到記憶體分配，我想不少人的腦海裡都會浮現一句話：引用放在棧裡，物件放在堆裡，棧指向堆。嗯哼，這句話聽起來沒有錯；但我們繼續追問一下：這個棧是什麼棧？是龍門客棧麼？非也！它其實是Java虛擬機器堆疊。呃，到了此處，好學的童鞋忍不住要追問了：啥是Java虛擬機棧呢？不急，我們一起來瞅瞅。

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JVM的生命週期

我們知道：每個Java程式都在Java虛擬機器上運行；也就是說：一個執行階段的Java虛擬機器負責執行一個Java程式。當啟動一個Java程式時，一個虛擬機器實例也就隨之誕生了；當程式執行完畢後這個虛擬機器實例也就隨之消亡。例如：在一台電腦上同時執行五個Java程序，那麼系統將提供五個Java虛擬機器實例；每個Java程式獨自運行於它自己所對應的Java虛擬機器實例中。

Java虛擬機中有兩種線程，分別是：守護線程與非守護線程。守護線程通常由虛擬機器本身使用，例如執行垃圾收集的線程。非守護線程，通常指的是我們自己的線程。當程式中所有的非守護執行緒都終止時，虛擬機器執行個體會自動退出。

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JVM執行階段資料區

既然Java虛擬機負責執行Java程序，那我們就先來看看Java虛擬機體系結構，請參見下圖：

在這裡可以看到：class檔案由類別載入器載入JVM中運作。此處，我們將重點放在藍色線框中JVM的Runtime Data Areas(運行時資料區)，它表示JVM在運行期間對記憶體空間的劃分和分配。在這個資料區內分為以下幾個主要區域：Method Area(方法區)，Heap(堆疊)，Java Stacks(Java 堆疊)，Program Counter Register(程式計數器)，Native Method Stack(本地方法堆疊)，現各區域的主要作用及其特徵如下詳細介紹。

Method Area(方法區)

Method Area(方法區)是各個執行緒共享的記憶體區域，它用於儲存已被虛擬機器載入的類別信息、常數、靜態變數、編譯器編譯後的程式碼等資料。根據Java 虛擬機器規格的規定，當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將拋出OutOfMemoryError(OOM)異常。為了進一步了解Method Area(方法區)，我們來看在該區域內包含哪些具體組成部分。

(1) 執行時間常數池

Class檔案中除了有類別的版本、欄位、方法、介面等描述等與類別緊密相關的資訊之外，還有一個常數池用於存放編譯期產生的各種字面量和符號引用；該常數池將在類別載入後被存放到方法區的運行時常數池中。換句話說：在運行時常數池中存放了該類別使用的常數的一個有序集合，它在java程式的動態連接中起著非常重要的作用。在該集合中包括直接常數(string，integer和，floating point等)和對其他類型、字段和方法的符號引用。外界可透過索引存取運行時常數池中的資料項，這一點和存取數組非常類似。當然，執行時間常數池是方法區的一部分，它也會受到方法區記憶體的限制，當執行時間常數池無法再申請到記憶體時也會拋出OutOfMemoryError(OOM)例外。

(2) 類型資訊

在該部分包含：

• ##類型的完全限定名

• 類型的直接超類別的全限定名稱

• 類型是類別類型還是介面類型

• 類型的存取修飾符(public、abstract、final等)

• 直接超介面的全限定名的有序列表

##( 3) 字段資訊

字段資訊用於描述該類別中聲明的所有字段(局部變數除外)，它包含以下具體資訊：

##字段名稱

• 欄位類型

• 欄位的修飾符

• ##欄位的順序

• (4) 方法資訊

方法資訊用於描述該類別中宣告的所有方法，它包含以下具體資訊：

#方法名稱

• 方法的傳回類型

• #方法輸入參數的數，類型，順序

• 方法的修飾符

• #運算元堆疊

• 在幀堆疊中的局部變數區的大小

#(5) 類別變數

該部分用於存放類別中static修飾的變數。

(6) 指向類別載入器的參考

類別由類別載入器載入，JVM會在方法區保留指向該類別載入器的參考。

(7) 指向Class實例的參考

在類別被載入器載入的過程中，虛擬機會建立一個代表該類別的Class對象，同時JVM會保留在方法區指向該Class的參考。

Program Counter Register(程式計數器)

Program Counter Register(程式計數器)在Runtime Data Areas(運行時資料區)只佔據非常小的記憶體空間，它用於儲存下一條即將執行的字節碼指令的位址。

Java Stacks(Java 堆疊)

Java Stacks(Java 堆疊)也稱為虛擬機器堆疊(VM Stack)，也就是我們通常說的堆疊。它用來描述的Java 方法執行的記憶體模型：每個方法執行的時候都會同時建立一個堆疊幀(Stack Frame)用於儲存局部變數表、操作堆疊、動態連結、方法出口等資訊。每一個方法被呼叫直到執行完成的過程，就對應一個堆疊幀在虛擬機器棧中從入棧到出棧的過程。 Java Stacks(Java 堆疊)的生命週期與執行緒相同；當一個執行緒執行完畢那麼該堆疊也被清空。

Native Method Stack(本機方法堆疊)

Native Method Stack(本機方法堆疊)與Java Stacks(Java 堆疊)非常類似，它用於儲存呼叫本機方法(C/C++)所涉及的局部變數表、操作棧等資訊。

Heap(堆)

Heap(堆)在虛擬機器啟動時創建，用於存放物件實例，幾乎所有的物件實例都在這裡分配記憶體。所以，Heap(堆)是Java 虛擬機器所管理的記憶體中最大的一塊，也是垃圾回收器管理的重點區域。

小結

在此對JVM執行時間資料區做一個小結：

• Method Area(方法區)和Heap(堆)是被所有執行緒共享的記憶體區域。

• Java Stacks(Java 堆疊)和Program Counter Register(程式計數器)以及Native Method Stack(本地方法堆疊)是各執行緒私有的記憶體區域。

• 建立一個對象，該物件的參考存放在Java Stacks(Java 堆疊)中，真正的物件實例存放於Heap(堆疊)中。這也是大家常說的：棧指向堆。

• 除了剛才提到的JVM運行時資料區所涉及到的記憶體以外，我們還需要關注直接記憶體(Direct Memory)。請注意：直接記憶體(Direct Memory)並不是虛擬機器運行時資料區的一部分，也不是Java虛擬機規範中定義的記憶體區域，但是這部分記憶體也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError(OOM)異常出現。例如，在使用NIO時它可以使用Native 函數庫直接分配堆外內存，然後透過儲存在Java 堆裡面的DirectByteBuffer物件作為這塊記憶體的參考進行操作。類似的操作，可避免了在Java 堆和Native 堆中來回複製數據，從而提高效能。

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Java呼叫方法時的參數傳遞機制

#在呼叫Java方法傳遞參數的時候，到底是傳值還是傳引用呢？面對眾多的爭論，我們還是來瞅瞅程式碼，畢竟程式碼不會說謊。我們先來看一個很簡單的範例：交換兩個int型別的數據，程式碼如下：

package cn.com;/**
 */public class TestMemory {

    public static void main(String[] args) {
        TestMemory testMemory=new TestMemory();        
        int number1=9527;        
        int number2=1314;
        System.out.println("main方法中，数据交换前：number1="+number1+" , number2="+number2);
        testMemory.swapData(number1, number2);
        System.out.println("main方法中，数据交换后：number1="+number1+" , number2="+number2);
    }    private void swapData(int a,int b) {
        System.out.println("swapData方法中，数据交换前：a="+a+" , b="+b);        
        int temp=a;
        a=b;
        b=temp;
        System.out.println("swapData方法中，数据交换后：a="+a+" , b="+b);
    }

}

我們在main方法中宣告的兩個變數number1=9527 , number2=1314；然後將這兩個數作為參數傳遞給了方法swapData(int a,int b)，並在該方法內交換資料。至於程式碼本身無需再過多的解釋了；不過，請思考輸出的結果是什麼？在您考慮之後，請參閱如下列印資訊：

main方法中，資料交換前：number1=9527 , number2=1314
 swapData方法中，資料交換前：a=9527 , b=1314
 swapData方法中，資料交換後：a=1314 , b=9527
 main方法中，資料交換後：number1=9527 , number2=1314

嗯哼，这和你想的一样么？为什么会是这样呢？还记得刚才讨论Java Stacks(Java 栈)时说的么：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。结合示例的代码：main( )方法在一个栈帧中，swapData( )在另外一个栈帧中；两者彼此独立互不干扰。在main( )中调用swapData( )传入参数时它的本质是：将实际参数值的副本(复制品)传入其它方法内而参数本身不会受到任何影响。也就是说，这number1和number2这两个变量仍然存在于main( )方法所对应的栈帧中，但number1和number2这两个变量的副本(即int a和int b)存在于swapData( )方法所对应的栈帧中。故，在swapData( )中交换数据，对于main( )是没有任何影响的。这就是Java中调用方法时的传值机制——值传递。

嗯哼，刚才这个例子是关于基本类型的参数传递。Java对于引用类型的参数传递一样采用了值传递的方式。我们在刚才的示例中稍加改造。首先，我们创建一个类，该类有两个变量number1和number2，请看代码：

package cn.com;/**
 */public class DataObject {

    private int number1;    
    private int number2;    
    public int getNumber1() {        
    return number1;
    }    public void setNumber1(int number1) {        
            this.number1 = number1;
    }    public int getNumber2() {       
            return number2;
    }    public void setNumber2(int number2) {        
            this.number2 = number2;
    }

}

好了，现在我们来测试交换DataObject类对象中的两个数据：

package cn.com;/**
  */public class TestMemory {

    public static void main(String[] args) {
        TestMemory testMemory=new TestMemory();
        DataObject dataObject=new DataObject();
        dataObject.setNumber1(9527);
        dataObject.setNumber2(1314);
        System.out.println("main方法中，数据交换前：number1="+dataObject.getNumber1()+" , number2="+dataObject.getNumber2());
        testMemory.swapData(dataObject);
        System.out.println("main方法中，数据交换后：number1="+dataObject.getNumber1()+" , number2="+dataObject.getNumber2());
    }    private void swapData(DataObject dataObject) {
        System.out.println("swapData方法中,数据交换前：number1="+dataObject.getNumber1()+" , number2="+dataObject.getNumber2());        
        int temp=dataObject.getNumber1();
        dataObject.setNumber1(dataObject.getNumber2());
        dataObject.setNumber2(temp);
        System.out.println("swapData方法中,数据交换后：number1="+dataObject.getNumber1()+" , number2="+dataObject.getNumber2());

    }

}

简单地描述一下代码：在main( )中定义一个DataObject类的对象并为其number1和number2赋值；然后调用swapData(DataObject dataObject)方法，在该方法中交换数据。请思考输出的结果是什么？在您考虑之后，请参见如下打印信息：

main方法中，数据交换前：number1=9527 , number2=1314
 swapData方法中,数据交换前：number1=9527 , number2=1314
 swapData方法中,数据交换后：number1=1314 , number2=9527
 main方法中，数据交换后：number1=1314 , number2=9527

嗯哼，为什么是这样呢？我们通过DataObject dataObject=new DataObject();创建一个对象；该对象的引用dataObject存放于栈中，而该对象的真正的实例存放于堆中。在main( )中调用swapData( )方法传入dataObject作为参数时仍然传递的是值，只不过稍微特殊点的是：该值指向了堆中的实例对象。好了，再结合栈帧来梳理一遍：main( )方法存在于与之对应的栈帧中，在该栈帧中有一个变量dataObject它指向了堆内存中的真正的实例对象。swapData( )收到main( )传递过来的变量dataObject时将其存放于其本身对应的栈帧中，但是该变量依然指向堆内存中的真正的实例对象。也就是说：main( )方法中的dataObject和swapData( )方法中的dataObject指向了堆中的同一个实例对象！所以，在swapData( )中交换了数据之后，在main( )会体现交换后的变化。在此，我们可以进一步的验证：在该swapData( )方法的最后一行添加一句代码dataObject=null ；我们发现打印信息并没有任何变化。因为这句代码仅仅使得swapData( )所对应的栈帧中的dataObject不再指向堆内存中的实例对象但不会影响main( )所对应的栈帧中的dataObject依然指向堆内存中的实例对象。

通过这两个示例，我们进一步验证了：Java中调用方法时的传递机制——值传递。当然，有的人说：基础类型传值，对象类型传引用。其实，这也没有什么错，只不过是表述方式不同罢了；只要明白其中的道理就行。如果，有些童鞋非纠缠着个别字眼不放，那我只好说：PHP是世界上最好的语言。

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