《深入理解 Java 虚拟机》运行时数据区域

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本系列文章均摘自《深入理解 Java 虚拟机》第二版,略有删减、概括,主要是为了精简篇幅,方便阅读和以后查阅。推荐购买正版书籍,阅读完整内容。

2.2 运行时数据数据区域

JVM 在执行程序的时候会把它管理的内存划分为若干个不同数据区。根据 JVM 规范(Java SE 7)的规定,JVM 所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域,下图所示。

2.2.1 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

每条线程都有一个独立的程序计数器,各线程之间计数器互不影响,独立存储,属于“线程私有”的内存。

如果线程在执行一个 Java 方法,计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。如果执行的是 Native 方法,计数器值为空。此内存区域是唯一在 JVM 规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

2.2.2 Java 虚拟机栈

线程私有,生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型:每个方法执行时都会创建一个栈帧(Stack Frame) 用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用至完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译器可知的各种基本类型数据(8 个基本类型)、对象引用(reference 类型,不等同于对象本身,可能是引用指针,可能是句柄或其他与此对象相关的位置)和 returnAddress 类型(指向字节码指令的地址)。

局部变量表所需内存空间在编译期间完成分配,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。局部变量空间最小单位为 Slot,long 和 double 占 2 个 Slot,其他类型占 1 个。

此区域规定了两种异常:线程请求的栈深度大于 JVM 所允许的深度,将抛出 StackOverflowError 异常;如果虚拟机栈动态扩展无法申请到足够的内存,则抛出 OutOfMemoryError 异常。

2.2.3 本地方法栈

与虚拟机栈非常相似,只不过服务的对象不同,本地方法栈服务的是本地(Native)方法。JVM 规范对于本地方法使用的语言、使用方式和数据接口并没有强制规定,Sun HotSpot 虚拟机就直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。同样也会出现 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

2.2.4 Java 堆

JVM 所管理的内存中最大的一块。被所有线程所共享,在 JVM 启动时创建。JVM 规范中规定:所有对象实例以及数组都要在堆上分配。但是随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有对象在堆上分配不是那么“绝对”了。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域。由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以 Java 堆还能细分为:新生代和老年代;再细致点还能分为 Eden、From Survivor、To Survivor 等。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。目前主流 JVM 都是可以动态扩展 Java 堆的(通过 -Xmx 和 -Xms 控制)。堆中无足够内存并且堆也无法再扩展时,将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

2.2.5 方法区

线程共享,用来存储已被 JVM 加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。对于 HotSpot JVM 来说,很多人将方法区称为“永久代(Permanent Generation)” ,本质上两者并不等价,只是 HotSpot 将 GC 分代收集扩展至方法区,像 Java 堆一样来管理这部分内存。但是这样更容易出现内存溢出问题,对于 HotSpot JVM,根据官方发布的信息,现在也有放弃永久代改为采用 Native Memory 来实现方法区的规划了,在 JDK 1.7 的 HotSpot 中,已经降原来永久代中的字符串常量池移出。

JVM 规范对于方法区的限制非常宽松,除了不需要连续的内存、可以固定大小或者可扩展,甚至可以不实现垃圾收集。一般来说,方法区回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。当方法区无法满足内存分配的需求时,会出现 OutOfMemoryError 异常。

2.2.6 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息就是常量池(Constant Pool Table),用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用,类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另外一个特征是具备动态性,除了预置入 Class 文件中常量池的内容能进入方法区运行时常量池,运行期间也能将新的常量放入,String 类的 intern() 方法就是个例子。既然是方法区的一部分,自然受到方法区内存限制,不足时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

2.2.7 直接内存

直接内存不是 JVM 运行时数据区的一部分,也不是规范中定义的内存区域。JDK 1.4 中新加入了 NIO(New Input/OutPut)类,引入了一种基于通道与缓冲区的 IO 方式,它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存,然后通过 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。避免在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据,提高性能。虽然直接内存不受 Java 堆大小的限制,但是受本机总内存大小限制。在配置 JVM 参数时,会根据实际内存设置 -Xmx 等参数信息,但经常忽略直接内存,使得各个内存区总和大于物理内存,从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。

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