從 Java 代碼到 Java 堆
理解和優化您的應用程序的內存使用
https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-codetoheap/
優化應用程序代碼的內存使用並不是一個新主題，但是人們通常並沒有很好地理解這個主題。本文將簡要介紹 Java 進程的內存使用，隨後深入探討您編寫的 Java 代碼的內存使用。最後，本文將展示提高代碼內存效率的方法，特別強調了 HashMap
和 ArrayList
等 Java 集合的使用。
通過在命令行中執行 java
或者啓動某種基於 Java 的中間件來運行 Java 應用程序時，Java
運行時會創建一個操作系統進程，就像您運行基於 C 的程序時那樣。實際上，大多數 JVM 都是用 C 或者 C++
語言編寫的。作爲操作系統進程，Java 運行時面臨着與其他進程完全相同的內存限制：架構提供的尋址能力以及操作系統提供的用戶空間。
架構提供的內存尋址能力依賴於處理器的位數，舉例來說，32 位或者 64 位，對於大型機來說，還有 31 位。進程能夠處理的位數決定了處理器能尋址的內存範圍：32 位提供了 2^32 的可尋址範圍，也就是 4,294,967,296 位，或者說 4GB。而 64 位處理器的可尋址範圍明顯增大：2^64，也就是 18,446,744,073,709,551,616，或者說 16 exabyte（百億億字節）。
處理器架構提供的部分可尋址範圍由 OS 本身佔用，提供給操作系統內核以及 C 運行時（對於使用 C 或者 C++ 編寫的 JVM 而言）。OS 和 C 運行時佔用的內存數量取決於所用的 OS，但通常數量較大：Windows 默認佔用的內存是 2GB。剩餘的可尋址空間（用術語來表示就是用戶空間 ）就是可供運行的實際進程使用的內存。
對於 Java 應用程序，用戶空間是 Java 進程佔用的內存，實際上包含兩個池：Java 堆和本機
（非 Java）堆。Java 堆的大小由 JVM 的 Java 堆設置控制：-Xms
和 -Xmx
分別設置最小和最大 Java 堆。在按照最大的大小設置分配了 Java 堆之後，剩下的用戶空間就是本機堆。圖 1 展示了一個 32 位 Java 進程的內存佈局：
圖 1. 一個 32 位 Java 進程的內存佈局示例
在 圖 1 中，可尋址範圍總共有 4GB，OS 和 C 運行時大約佔用了其中的 1GB，Java 堆佔用了將近 2GB，本機堆佔用了其他部分。請注意，JVM 本身也要佔用內存，就像 OS 內核和 C 運行時一樣，而 JVM 佔用的內存是本機堆的子集。
在您的 Java 代碼使用 new
操作符創建一個 Java 對象的實例時，實際上分配的數據要比您想的多得多。例如，一個 int
值與一個 Integer
對象（能包含 int
值的最小對象）的大小比率是 1:4，這個比率可能會讓您感到吃驚。額外的開銷源於 JVM 用於描述 Java 對象的元數據，在本例中也就是 Integer
。
根據 JVM 的版本和供應的不同，對象元數據的數量也各有不同，但其中通常包括：
-
類
：一個指向類信息的指針，描述了對象類型。舉例來說，對於
java.lang.Integer對象，這是java.lang.Integer類的一個指針。 - 標記 ：一組標記，描述了對象的狀態，包括對象的散列碼（如果有），以及對象的形狀 （也就是說，對象是否是數組）。
- 鎖 ：對象的同步信息，也就是說，對象目前是否正在同步。
對象元數據後緊跟着對象數據本身，包括對象實例中存儲的字段。對於 java.lang.Integer
對象，這就是一個 int
。
如果您正在運行一個 32 位 JVM，那麼在創建 java.lang.Integer
對象實例時，對象的佈局可能如圖 2 所示：
圖 2. 一個 32 位 Java 進程的
java.lang.Integer
對象的佈局示例
如 圖 2
所示，有 128 位的數據被佔用，其中用於存儲 int
值的爲 32 位，而對象元數據佔用了其餘的 96 位。