浅谈Java内存结构

Posted 2020-12-04 wuqinglong

概述

内存是程序运行的地方，使用Java语言编程代码时，适当的了解Java语言对于内存的划分及使用情况是有必要的。

内存结构(面积不代表占用内存的大小)

线程私有: 

• PC寄存器
• 虚拟机栈
• 本地方法栈

线程共享:

• 堆
• 方法区

各区域的作用

堆(Heap)

描述

• 堆是虚拟机中所有线程共享的区域(涉及到线程之间通信)。
• 堆是运行时数据区，所有的Class实例和数组占用的内存都是从其中分配的。
• 堆是在虚拟机启动时创建的，对象的堆由垃圾回收器进行管理，对象不会被显示回收。
• 堆内存是不连续的。
• 垃圾回收器重点关注区域。
• 如果在堆内存已经无法继续扩展，且还需要分配实例内存，将会抛出 OutofMemoryError 异常。

分代:

• 新生代
  • Eden 区
  • Survivor0 区
  • Survivor1 区
• 老年代
  • Old 区

参数

• -Xms50m    # 定义堆的最小值
• -Xmx50m  # 定义堆的最大值
• -Xmn10m    # 设置新生代大小(Eden区 + S0区 + S1区)

方法区(Method Area)

描述：

• 虚拟机线程之间共享的。
• 它存储类结构信息，例如字段和方法数据，以及方法和构造函数代码，包括运行时常量池等。
• 方法区逻辑上属于堆，但是它还有一个别名：Non-Heap。GC不会对该区域进行回收。
• 根据虚拟机规范，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutofMemoryError 异常。

PC寄存器(Program Counter Register)

描述：

• 又称程序计数器，是一块较小的内存空间。
• 用于指示当前线程执行的字节码行号，分支、循环、跳转、异常处理和线程恢复等功能都需要依赖这个计数器。

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）只会执行一条线程中的指令，因此，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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。 

虚拟机栈

描述：

• 为 Java 方法服务
• 存储的元素是栈帧（存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息）。
• 一个方法从调用到执行完成，对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向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（指向了一条字节码指令的地址）。

其中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。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：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（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中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

描述:

• 与虚拟机栈类似
• 为 native 方法服务 

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，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虚拟机使用到的Native方法服务。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。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。