Управление памятью в Java

Управление памятью в Java — это фундаментальная концепция, включающая автоматическое выделение и освобождение объектов, которое контролируется Java Virtual Machine (JVM). JVM использует garbage collector (сборщик мусора) для автоматического удаления неиспользуемых объектов, освобождая память в фоновом режиме. Это освобождает разработчиков от необходимости вручную управлять памятью. В этой статье рассмотрим управление памятью в Java, работу кучи (heap), типы ссылок, сборку мусора и связанные с этим понятия.

Зачем изучать управление памятью в Java?

Java автоматически управляет памятью с помощью garbage collector (сборщика мусора), поэтому программистам не нужно вручную уничтожать объекты. Однако не вся память управляется сборщиком мусора одинаково. Понимание управления памятью помогает создавать эффективные программы и эффективно отлаживать ошибки, связанные с падениями из-за проблем с памятью.

Структура памяти JVM

JVM определяет различные области данных во время выполнения программы. Некоторые области создаются самой JVM, другие — потоками, используемыми в программе. Однако область памяти, созданная JVM, уничтожается только при выходе JVM из работы. Области памяти потоков создаются при их создании и уничтожаются при завершении потока. Эти области включают:

• Область кучи (Heap Area)
• Область методов (Method Area)
• Стек JVM (JVM Stacks)
• Стек нативных методов (Native Method Stacks)
• Регистр счетчика команд (Program Counter, PC Registers)

Области памяти Java Virtual Machine (JVM)

Ниже приведена схема областей памяти Java:

1. Область кучи (Heap Area)

• Куча — это общая область данных во время выполнения, где хранятся объекты и массивы. Она создается при запуске JVM.
• Память в куче выделяется для всех экземпляров классов и массивов.
• Размер кучи может быть фиксированным или динамическим в зависимости от конфигурации системы.
• JVM позволяет пользователю настраивать размер кучи. При использовании ключевого слова new объект выделяется в куче, а его ссылка сохраняется в стеке.
• Для каждого запущенного процесса JVM существует ровно одна область кучи.

Scanner sc = new Scanner(System.in)

Здесь объект Scanner хранится в куче, а ссылка sc — в стеке.

Обратите внимание: Сборка мусора в области кучи обязательна.

2. Область методов (Method Area)

• Область методов — логическая часть кучи, создается при запуске JVM.
• В области методов хранятся данные уровня класса: структура классов, байт-код методов, статические переменные, пул констант, интерфейсы.
• Размер области методов может быть фиксированным или динамическим в зависимости от конфигурации системы.
• Статические переменные сохраняются в стеке.
• Сборка мусора области методов не гарантируется и зависит от реализации JVM.

Обратите внимание: Область методов логически является частью кучи, однако многие реализации JVM, например HotSpot, используют отдельную область — Metaspace — которая хранится вне кучи.

Пример:

Java

// Java-программа, демонстрирующая, как переменные Java
// хранятся в разных областях памяти
import java.io.*;

class Geeks {
    // статические переменные хранятся в области методов
    static int v = 100;

    // переменные экземпляра хранятся в куче
    int i = 10;

    public void Display() {
        // локальные переменные хранятся в стеке
        int s = 20;

        System.out.println(v);
        System.out.println(s);
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Geeks g = new Geeks();

        // вызов метода Display
        g.Display();
    }
}
          

100
20

Объяснение: В приведённом коде определён класс Geeks с тремя типами переменных: статической, экземпляра и локальной. Это показывает, как они хранятся в разных областях памяти — в Method Area, Heap и Stack — и выводятся методом Display.

Обратите внимание:

• Статические переменные хранятся в области методов.
• Переменные экземпляра хранятся в куче.
• Локальные переменные хранятся в стеке.

3. Стек JVM (JVM Stacks)

• Стек создаётся при создании каждого потока и используется для хранения данных о выполнении метода, включая локальные переменные, аргументы метода и адреса возврата.
• Каждый поток имеет свой собственный стек, что обеспечивает безопасность потоков.
• Размер стека может быть фиксированным или динамическим и задаётся при его создании.
• Память стека не обязательно должна быть непрерывной.
• После завершения выполнения метода его стековый фрейм автоматически удаляется.

4. Стек нативных методов (Native Method Stacks)

• Стек нативных методов также известен как C-стек.
• Стэки нативных методов не написаны на Java.
• Эта память выделяется для каждого потока при его создании и может иметь фиксированный или динамический размер.
• Стек нативных методов отвечает за выполнение нативных методов, которые взаимодействуют с Java-кодом.

5. Регистр счетчика команд (Program Counter, PC Registers)

Каждый поток JVM, выполняющий конкретный метод, имеет связанный с ним регистр счетчика команд. Для ненативных методов PC хранит адрес текущей инструкции JVM. В случае нативных методов значение PC неопределённо. В некоторых платформах PC может хранить адрес возврата или указатель на нативный код.

Принцип работы сборщика мусора (Garbage Collector)

Garbage collector в Java автоматически удаляет объекты, которые более не используются. Он работает в фоновом режиме, освобождая память.

• Сборщик мусора находит объекты, которые больше не нужны программе.
• Он удаляет эти неиспользуемые объекты, освобождая память и создавая место для новых объектов.
• Java применяет поколенческую сборку мусора: новые объекты собираются чаще в молодом поколении, а более старые остаются в старом поколении дольше. Это повышает эффективность сбора мусора.
• Вы можете вызвать сборку мусора вручную с помощью

  System.gc()

  , но окончательное решение о запуске сборщика принимает JVM.

Обратите внимание: Методы

System.gc()

и

Runtime.gc()

лишь делают запрос на запуск сборщика мусора, но не гарантируют его выполнение, так как решение принимает только JVM.