Java程序运行时内存分配详解

Java程序运行时内存分配是Java程序员必须理解和掌握的重要知识点之一。了解内存分配可以帮助我们更好的管理内存，提高程序性能，避免程序崩溃等问题的出现。

Java内存分区

在Java中，内存分配主要分为以下几个区域：

• 程序计数器(Program Counter Register)
• 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)
• 本地方法栈(Native Method Stack)
• Java堆(Java Heap)
• 方法区(Method Area)或永久代(Permanent Generation)

下面针对这几个区域，分别作详细介绍。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，其作用是记录当前线程所执行的字节码的行号。线程切换时，程序计数器会记录下当前线程执行到哪行了，等待线程再次执行时，再从记录的行号开始执行。

虚拟机栈

虚拟机栈是Java程序执行线程的工作区域，它保存了运行方法的局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法执行时，Java虚拟机都会为其分配一个栈帧(Stack Frame)，用于保存该方法的状态。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈类似，只不过是为本地方法服务的。本地方法不是用Java语言编写的，而是使用C或C++语言编写的，因此需要本地方法栈来为其提供内存空间。

Java堆

Java堆是Java程序中最大的一块内存空间。Java堆用于存放对象实例，其中每个对象实例在堆中都会对应一个对象头(Object Header)，用于记录该对象实例的类型、GC标记等信息。

Java堆的垃圾回收(GC)非常重要，Java堆中的对象实例可以通过引用与其它对象产生联系，如果对象无法访问，就会成为垃圾。Java垃圾回收机制会定期扫描Java堆，将无法访问的对象实例进行回收。

方法区/永久代

方法区/永久代是用于存放类信息、常量、静态成员变量等信息的内存空间。其中，JDK1.7及之前版本的Java中叫做方法区，JDK1.8及之后版本的Java中叫做永久代。

方法区/永久代也是Java内存中重要的一部分，其中存储的信息为全局共享，在整个Java虚拟机的生命周期内都不会消失。同时，由于该区域存储的信息较多，因此也是Java虚拟机垃圾回收机制的关注点之一。

示例说明

示例一

以下是一个Java程序的示例代码：

public class MemoryTest {
    public static void main(String[] args) {
        int x = 1;
        int y = 2;
        int z = x + y;

        String str = "hello, world";
        String substr = str.substring(0, 5);

        System.out.println(z);
        System.out.println(substr);
    }
}

该程序分配了多个变量，在程序运行时，每个变量将会被分配到相应的内存区域，其中：

• 程序计数器：程序计数器将记录程序的当前执行位置。
• 虚拟机栈和本地方法栈：每个线程将会为其分配一个独立的虚拟机栈和本地方法栈，用于保存该线程执行时的状态。
• Java堆：程序中声明的变量将会被分配到Java堆中。
• 方法区：程序中使用的字符串常量也将被存储在方法区中。

示例二

以下是一个Java程序的示例代码：

public class MemoryTest {
    public static void main(String[] args) {
        List<MemoryTest> list = new ArrayList<>();

        while (true) {
            list.add(new MemoryTest());
        }
    }
}

该程序声明了一个ArrayList，不断将MemoryTest对象添加到该列表中，导致程序内存占用不断增加。当内存不足时，Java垃圾回收机制将自动对Java堆中无法访问的对象实例进行回收，直至回收的内存占用足够程序使用。该例子演示了Java中垃圾回收机制的工作原理。