Java虚拟机--Java内存区域

Posted 2020-09-04 一路晨光

运行时数据区域

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Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它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，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户现场的启动和结束而建立和销毁。

Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如下图

 

程序计数器

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1. 程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码和行号指示器。

2. 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数得值来选取下一条需要执行的字节码命令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

3. 由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行条线程中的指令，因此为了线程切换后能恢复到正确位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器。

   各条线程之间的计数器不影响，独立存储，这类区域称为"线程私有"的内存。

4. 如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器为空(undefined)。此时内存区域是唯一一个在Java虚拟机中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

 

Java虚拟机栈

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1. 与程序计数器一样，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。

2. 虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个发放被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口灯信息。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。

2. 经常有人把Java内存区分为堆（Heap）内存和栈（Stack）内存，这里所指的"栈"就是现在讲的虚拟机栈或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。

3. 局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型(boolean char byte short int long float double)、对象引用类型（可能是知晓对象起始地址的引用指针，也可能只需一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。

4. 64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(Slot)，其余数据类型只占用1个。

5. 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

6. 在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：

1）如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，讲抛出StackOverFlowError异常

2）如果虚拟机可以动态扩展(大部分Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范也允许固定长度的虚拟机栈)，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

 

本地方法栈

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1. 本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为了虚拟机使用到的Native方法服务。

2. 虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机譬如（Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

3. 与虚拟机栈一样，本地方法栈区也会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常。

 

Java堆

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1. Java堆（Java Heap）是java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

2. Java堆是垃圾收集器的主要区域，因此很多时候也被称做"GC堆"。

3. 从内存回收的角度看，由于现在收集器都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

4. 根据java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续的即可。

5. 如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

方法区

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1. 方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。

2. Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定的大小或者可扩展waiting，还可以选择不实现垃圾收集。

3. 垃圾收集行为在这个区域比较少出现，但并非数据进入方法区就如永久代的名字一样"永久"存在了。这个区域的回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

4. 根据Java虚拟机的规范规定。当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

 

运行时常量池

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1.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，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

2.运行时常量池的一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

3.常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

 

直接内存

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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，但是这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/0方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是既然是内存则肯定还是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得给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。