java虚拟机之内存模型

Posted 2020-12-30 firepation

1. 概述

对于从事 C、C++ 程序开发的人员来说，在内存管理领域，他们既是拥有最高权力的「皇帝」又是从事基础工作的「劳动人民」 --- 既拥有每个对象的「所有权」，又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。

但是对于 java 程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不需要再为每一个 new 操作写配对的 delete/free 代码，不容易出现在内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存这一切看起来都很美好。不过，也正是因为 java 程序员把内存控制的权利交给了 java 虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎么使用内存的，那么排查错误将会成为一项非常艰难的工作。下面，我们了解一下 java 虚拟机的内存模型。

2. 运行时数据区域

在运行 java 程序中虚拟机会把内存划分为不同的数据区域，这些区域有各自的用途以及创建和销毁时间。按照规定，java 虚拟机包括以下几个运行时内存区域。

2.1 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看成是当前线程所执行字节码的行号指示器。也就是说，在当前线程中，下一条需要执行的语句，比如分支、循环、跳转、异常处理，是由它来引导的。

由于 java 支持多线程，为了保证线程切换之后还能够顺利运行，每个线程都会有一个独立的程序计数器，各个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。它是唯一一个在 java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

2.2 java虚拟机栈

与程序计数器一样，java 虚拟机栈也是「线程私有」的，它描述的是 java 方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时会创建一个 栈帧，用于存储变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译时可知的各种数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用和 returnAddress 类型。局部变量表所需要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，在运行期间不会改变。

对于这个区域，如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的栈深度，将抛出 StackOverflowError 异常。大多数虚拟机都支持虚拟机栈的动态扩展，如果扩展无法申请到足够的内存，就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

2.3 本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 java 方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用 Native 方法服务。有的虚拟机甚至直接将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。

2.4 java堆

java 对（java Heap）是 java 虚拟机所管理的内存中最大的一块，是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建，此内存区域的唯一目的就是存放对象。

java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候被称为「GC堆」。java 堆内存还会有进一步的细分，这都是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

根据 java 虚拟机规范的规定，java 堆可以是处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。当对中没有内存完成实例分配时，并且堆也无法再扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

2.5 方法区

方法区和 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。java 虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，其不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集，因为垃圾收集行为在这个区域出现的比较少，而且垃圾回收的「成绩」也难以令人满意。
注：在 JDK1.7 以后的版本中，已经把原本放在方法区的字符串常量池移除。

2.6 运行时常量池

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

运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，java 语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，运行期间也可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是 String 类的 intern 方法。

以上就是 java 虚拟机的内存模型，主要内容摘自《深入理解 java 虚拟机》这本书。