Java内存区域 - 深入Java虚拟机读后总结

Posted 2020-08-27 天书说

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，这些区域有各自的用途，有各自的创建时间和销毁时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有的区域则是依赖用户线程的启动和结束进行建立或销毁。Java虚拟机第二版规定，虚拟机管理的内存包含以下几个运行时数据区域

 

1. 程序计数器：程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，作用可以理解为是当前线程所执行的字节码的行号指示器。Java虚拟机的多线程是通过线程切换以及分配处理器执行时间来实现，因此任何时刻，一个处理器只会执行一个线程中的指令，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各线程之间的计数器互不影响，独立存储。因此程序计数器是线程私有的。程序计数器所占的内存区域是唯一 一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
2. Java虚拟机栈：Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的，它的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：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。局部变量表存放了编译期间可知的基本数据类型、对象引用、returnAddress类型(64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间,其余的数据类型只占用1个)。局部变量表所需的内存空间在编译期间已经完成了分配，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，并且当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。
3. 本地方法栈：本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈的作用相似，主要区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java字节码服务，而本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法服务。本地方法栈区域会抛出StackOverfowError和OutOfMemoryError异常，原因同Java虚拟机栈。
4. Java堆：Java堆(Java Heap)是虚拟机所管理的内存中最大的一块区域。它是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。Java堆的唯一目的就是存放对象实例(Java虚拟机规范描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配)。但随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配在堆上已经不是那么绝对了。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，被称为“GC堆”，堆中划分了很细致的内存空间区域，但无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个内存空间区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存或者更快的分配内存。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上是连续的就可以。堆通过-Xmx和-Xms控制最大和最小的堆空间分配，如果在堆中已经没有足够的内存来完成实例分配，并且堆也无法再扩展的时候，将会抛出OutOfMemoryError异常。
5. 方法区：方法区(Method Area)与堆一样，是各个线程共享的内存区域，方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。Java虚拟机规范中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但其实方法区有一个别名叫“Non-Heap”。方法区不需要连续的内存、可以选择固定大小或者扩展、可以选择不实现垃圾收集。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。Java虚拟机规范规定当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
6. 运行时常量池：运行时常量池(Runtime Constant Pool)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，还有一项信息是常量池(Constant PoolTable)，常量池用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。Java虚拟机对Class文件的每个部分的格式都有严格的规定，但对运行时常量池,Java虚拟机规范没有做任何要求。运行时常量池相比Class文件常量池有一个重要特性，运行时常量池具有动态性。意思是说并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，比如String.intern();。运行时常量池会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。
7. 直接内存：直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但这部分内存可能导致OutOfMemoryError异常出现。比如nio(new i/o)使用native函数库直接分配堆外内存，显然计算机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是既然是内存，总会受到限制(本机总内存的大小、处理器寻址空间的限制)。有时JVM优化人员配参数时，经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。