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JVM内存结构详解
1 为什么学习jvm内存结构？
堆内存该设置多大？OutOfMemoryError异常到底是怎么引起的？如何进行JVM调优？JVM的垃圾回收是如何？甚至创建一个String对象，JVM都做了些什么？
2 jvm内存结构介绍
java虚拟机在执行程序的过程中会将内存划分为不同的数据区域
1、 JVM五个区中虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器为线程私有，方法区和堆为线程共享区。图中已经用颜色区分，绿色表示“通行”，橘黄色表示停一停（需等待）。
2、 堆中存放对象，堆占用的空间最多，程序计数器占用的空间最少，
3、 JVM 的优化问题主要在线程共享的数据区中：堆、方法区。
下面分别对这五个区域介绍
堆：
存放对象，几乎所有的对象实例都在此分配，堆占用空间大，是java垃圾回收的主要区域，因此成为GC堆。正是因为GC的存在，现代收集器基本都采用分代收集算法，堆进一步细化。主要存放使用new关键字创建的对象。所有对象实例以及数组都要在堆上分配。垃圾收集器就是根据GC算法，收集堆上对象所占用的内存空间（收集的是对象占用的空间而不是对象本身）。
Java堆分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）；年轻代又分为伊甸园（Eden）和幸存区（Survivor区）；幸存区又分为From Survivor空间和 To Survivor空间。
年轻代存储“新生对象”，我们新创建的对象存储在年轻代中。当年轻内存占满后，会触发Minor GC，清理年轻代内存空间。
老年代存储长期存活的对象和大对象。年轻代中存储的对象，经过多次GC后仍然存活的对象会移动到老年代中进行存储。老年代空间占满后，会触发Full GC。
注：Full GC是清理整个堆空间，包括年轻代和老年代。如果Full GC之后，堆中仍然无法存储对象，就会抛出OutOfMemoryError异常。
Java虚拟机规范规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。也就是说堆的内存是一块块拼凑起来的。要增加堆空间时，往上“拼凑”（可扩展性）即可，但当堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
第一，堆的GC操作采用分代收集算法。
第二，堆区分了新生代和老年代；
第三，新生代又分为：Eden空间、From Survivor（S0）空间、To Survivor（S1）空间。
方法区：
方法区与堆有很多共性：线程共享、内存不连续、可扩展、可垃圾回收，同样当无法再扩展时会抛出OutOfMemoryError异常。
正因为如此相像，Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但目前实际上是与Java堆分开的（Non-Heap）。
方法区个性化的是，它存储的是已被虚拟机加载的类信息（版本、方法、字段等）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，运行时常量池也存在方法区中。
方法区的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是回收确实是有必要的。
注：JDK1.8 使用元空间 MetaSpace 替代方法区，元空间并不在 JVM中，而是使用本地内存。元空间两个参数：
MetaSpaceSize：初始化元空间大小，控制发生GC阈值
MaxMetaspaceSize ： 限制元空间大小上限，防止异常占用过多物理内存
常量池：
常量池中存储编译器生成的各种字面量和符号引用。字面量就是Java中常量的意思。比如文本字符串，final修饰的常量等。方法引用则包括类和接口的全限定名，方法名和描述符，字段名和描述符等。
常量池有什么用 ？
优点：常量池避免了频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。
举个栗子： Integer 常量池（缓存池），和字符串常量池
Integer常量池：
我们知道 == 基本数据类型比较的是数值，而引用数据类型比较的是内存地址。
public void TestIntegerCache()
{
public static void main(String[] args)
{
Integer i1 = new Integer(66);
Integer i2 = new integer(66);
Integer i3 = 66;
Integer i4 = 66;
Integer i5 = 150;
Integer i6 = 150;
System.out.println(i1 == i2);//false
System.out.println(i3 == i4);//true
System.out.println(i5 == i6);//false
}
}
i1 和 i2 使用 new 关键字，每 new 一次都会在堆上创建一个对象，所以 i1 == i2 为 false。
i3 == i4 为什么是 true 呢？Integer i3 = 66 实际上有一步装箱的操作，即将 int 型的 66 装箱成 Integer，通过 Integer 的 valueOf 方法。
public static Integer valueOf(int i) {
if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
return new Integer(i);
}
Integer 的 valueOf 方法很简单，它判断变量是否在 IntegerCache 的最小值（-128）和最大值（127）之间，如果在，则返回常量池中的内容，否则 new 一个 Integer 对象。
而 IntegerCache 是 Integer的静态内部类，作用就是将 [-128,127] 之间的数“缓存”在 IntegerCache 类的 cache 数组中，valueOf 方法就是调用常量池的 cache 数组，不过是将 i3、i4 变量引用指向常量池中，没有真正的创建对象。而new Integer(i)则是直接在堆中创建对象。
IntegerCache 类中，包含一个构造方法，三个静态变量：low最小值、high最大值、和Integer数组，还有一个静态代码块。静态代码块的作用就是在 IntegerCache 类加载的时候，对high最大值以及 Integer 数组初始化。也就是说当 IntegerCache 类加载的时候，最大最小值，和 Integer 数组就已经初始化好了。这个 Integer 数组其实就是包含了 -128到127之间的所有值。
IntegerCache 源码
private static class IntegerCache {
static final int low = -128;//最小值
static final int high;//最大值
static final Integer cache[];//缓存数组
//私有化构造方法，不让别人创建它。单例模式的思想
private IntegerCache() {}
//类加载的时候，执行静态代码块。作用是将-128到127之间的数缓冲在cache[]数组中
static {
// high value may be configured by property
int h = 127;
String integerCacheHighPropValue =
sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
if (integerCacheHighPropValue != null) {
try {
int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
i = Math.max(i, 127);
// Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
} catch( NumberFormatException nfe) {
// If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
}
}
high = h;
cache = new Integer[(high - low) + 1];//初始化cache数组，根据最大最小值确定
int j = low;
for(int k = 0; k < cache.length; k++)//遍历将数据放入cache数组中
cache[k] = new Integer(j++);
// range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
assert IntegerCache.high >= 127;
}
}
而 i5 == i6 为 false，就是因为 150 不在 Integer 常量池的最大最小值之间【-128,127】，从而 new 了一个对象，所以为 false。
再看一段拆箱的代码。
public static void main(String[] args){
Integer i1 = new Integer(4);
Integer i2 = new Integer(6);
Integer i3 = new Integer(10);
System.out.print(i3 == i1+i2);//true
}
由于 i1 和 i2 是 Integer 对象，是不能使用+运算符的。首先 i1 和 i2 进行自动拆箱操作，拆箱成int后再进行数值加法运算。i3 也是拆箱后再与之比较数值是否相等的。所以 i3 == i1+i2 其实是比较的 int 型数值是否相等，所以为true。
String常量池：
String 是由 final 修饰的类，是不可以被继承的。通常有两种方式来创建对象。
//1、
String str = new String("abcd");
//2、
String str = "abcd";
第一种使用 new 创建的对象，存放在堆中。每次调用都会创建一个新的对象。
第二种先在栈上创建一个 String 类的对象引用变量 str，然后通过符号引用去字符串常量池中找有没有 “abcd”，如果没有，则将“abcd”存放到字符串常量池中，并将栈上的 str 变量引用指向常量池中的“abcd”。如果常量池中已经有“abcd”了，则不会再常量池中创建“abcd”，而是直接将 str 引用指向常量池中的“abcd”。
对于 String 类，equals 方法用于比较字符串内容是否相同； == 号用于比较内存地址是否相同，即是否指向同一个对象。通过代码验证上面理论。
public static void main(String[] args){
String str1 = "abcd";
String str2 = "abcd";
System.out.print(str1 == str2);//true
}
首先在栈上存放变量引用 str1，然后通过符号引用去常量池中找是否有 abcd，没有，则将 abcd 存储在常量池中，然后将 str1 指向常量池的 abcd。当创建 str2 对象，去常量池中发现已经有 abcd 了，就将 str2 引用直接指向 abcd 。所以str1 == str2，指向同一个内存地址。
public static void main(String[] args){
String str1 = new String("abcd");
String str2 = new String("abcd");
System.out.print(str1 == str2);//false
}
str1 和 str2 使用 new 创建对象，分别在堆上创建了不同的对象。两个引用指向堆中两个不同的对象，所以为 false。
关于字符串 + 号连接问题：
对于字符串常量的 + 号连接，在程序编译期，JVM就会将其优化为 + 号连接后的值。所以在编译期其字符串常量的值就确定了。
String a = "a1";
String b = "a" + 1;
System.out.println((a == b)); //result = true
String a = "atrue";
String b = "a" + "true";
System.out.println((a == b)); //result = true
String a = "a3.4";
String b = "a" + 3.4;
System.out.println((a == b)); //result = true
关于字符串引用 + 号连接问题：
对于字符串引用的 + 号连接问题，由于字符串引用在编译期是无法确定下来的，在程序的运行期动态分配并创建新的地址存储对象。
public static void main(String[] args){
String str1 = "a";
String str2 = "ab";
String str3 = str1 + "b";
System.out.print(str2 == str3);//false
}
对于上边代码，str3 等于 str1 引用 + 字符串常量“b”，在编译期无法确定，在运行期动态的分配并将连接后的新地址赋给 str3，所以 str2 和 str3 引用的内存地址不同，所以 str2 == str3 结果为 false
通过 jad 反编译工具，分析上述代码到底做了什么。编译指令如下：
经过 jad 反编译工具反编译代码后，代码如下
public class TestDemo
{
public TestDemo()
{
}
public static void main(String args[])
{
String s = "a";
String s1 = "ab";
String s2 = (new StringBuilder()).append(s).append("b").toString();
System.out.print(s1 = s2);
}
}
发现 new 了一个 StringBuilder 对象，然后使用 append 方法优化了 + 操作符。new 在堆上创建对象，而 String s1=“ab”则是在常量池中创建对象，两个应用所指向的内存地址是不同的，所以 s1 == s2 结果为 false。
注：我们已经知道了字符串引用的 + 号连接问题，其实是在运行期间创建一个 StringBuilder 对象，使用其 append 方法将字符串连接起来。这个也是我们开发中需要注意的一个问题，就是尽量不要在 for 循环中使用 + 号来操作字符串。看下面一段代码：
public static void main(String[] args){
String s = null;
for(int i = 0; i < 100; i++){
s = s + "a";
}
}
在 for 循环中使用 + 连接字符串，每循环一次，就会新建 StringBuilder 对象，append 后就“抛弃”了它。如果我们在循环外创建StringBuilder 对象，然后在循环中使用 append 方法追加字符串，就可以节省 n-1 次创建和销毁对象的时间。所以在循环中连接字符串，一般使用 StringBuilder 或者 StringBuffer，而不是使用 + 号操作。
public static void main(String[] args){
StringBuilder s = new StringBuilder();
for(int i = 0; i < 100; i++){
s.append("a");
}
}
使用final修饰的字符串
public static void main(String[] args){
final String str1 = "a";
String str2 = "ab";
String str3 = str1 + "b";
System.out.print(str2 == str3);//true
}
final 修饰的变量是一个常量，编译期就能确定其值。所以 str1 + "b"就等同于 "a" + "b"，所以结果是 true。
String对象的intern方法。
public static void main(String[] args){
String s = "ab";
String s1 = "a";
String s2 = "b";
String s3 = s1 + s2;
System.out.println(s3 == s);//false
System.out.println(s3.intern() == s);//true
}
通过前面学习我们知道，s1+s2 实际上在堆上 new 了一个 StringBuilder 对象，而 s 在常量池中创建对象 “ab”，所以 s3 == s 为 false。但是 s3 调用 intern 方法，返回的是s3的内容（ab）在常量池中的地址值。所以 s3.intern() == s 结果为 true。
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