2.Java内存区域（运行时数据区域）

Posted 2021-02-21 傑0327

2.1 概述

对Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每个对象的new操作去写配对的delete/free 代码，不容易出现内存泄露和内存溢出的问题。不过，仍然需要Java虚拟机是如何使用内存的，方便我们定位内存泄露和内存溢出的问题：

2.2 运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序时会把它所管理的内存划分为若干个部分，这些区域有各自的用途、创建和销毁时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有的则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

JDK 1.8 之前的内存分布（图为粘贴所得）：

 

JDK 1.8 之后的内存分布：

2.2.1 程序计数器

当前线程所执行的字节码的行号指示器，是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖程序计数器。内存较小。

Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换，分配处理器时间的方式来实现的，所以在任何一个确定的时刻，一个处理器（即多处理器的一个内核）都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，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各个线程之间不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”。

如果线程执行的是Java方法，则记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。如果是Native 本地方法，计数器值为空（Undefined）

从上面的介绍中我们知道程序计数器主要有两个作用：

1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
2. 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

此内存区域是唯一一个在《java虚拟机规范》中没有规定任何 OOM 情况的区域。

2.2.2 Java 虚拟机栈

线程私有，Java虚拟机栈的生命周期与线程相同。

Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧用于保存 局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完毕的过程，对应了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期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或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）。

Java 虚拟机栈会出现两种错误：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

• StackOverFlowError： 若 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出 StackOverFlowError 错误。
• OutOfMemoryError： 若 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，且当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展了，此时抛出 OutOfMemoryError 错误。

Java 方法有两种返回方式：return 语句；抛出异常，不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。

2.2.3 本地方法栈

和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是： 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 （也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。

2.2.4 Java堆

Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java 堆是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实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

Java世界中“几乎”所有的对象都在堆中分配，但是，随着JIT编译期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，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。从jdk 1.7开始已经默认开启逃逸分析，如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用（也就是未逃逸出去），那么对象可以直接在栈上分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC 堆（Garbage Collected Heap）。从垃圾回收的角度，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆还可以细分为：新生代和老年代：再细致一点将新生代分为：Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间。进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

在 JDK 7 版本及JDK 7 版本之前，堆内存被通常被分为下面三部分：

1. 新生代内存(Young Generation)
2. 老生代(Old Generation)
3. 永生代(Permanent Generation)

JDK 8 版本之后方法区（HotSpot 的永久代）被彻底移除了（JDK1.7 就已经开始了），取而代之是元空间，元空间使用的是直接内存。

 从内存分配的角度看，所有线程共享的java堆可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提升分配的效率。根据《Java虚拟机规范》，Java堆可以处于物理上并不连续的内存空间，但在逻辑上可视为连续的。

堆这里最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误，比如：

1. OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded ： 当JVM花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时，就会发生此错误。
2. java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space :假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 错误。(和本机物理内存无关，和你配置的内存大小有关！)

2.2.5 方法区

线程共享，用于保存已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。

方法区和永久代的关系

《Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这个概念和它的作用，并没有规定如何去实现它。那么，在不同的 JVM 上方法区的实现肯定是不同的了。 方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系，类实现了接口，而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式，当时的HotSpot 虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展到方法区。 也就是说，永久代是 HotSpot 的概念，方法区是 Java 虚拟机规范中的定义，是一种规范，而永久代是一种实现，一个是标准一个是实现，其他的虚拟机实现并没有永久代这一说法。

为什么要将永久代 (PermGen) 替换为元空间 (MetaSpace) 呢?

1. 整个永久代有一个 JVM 本身设置固定大小上限，无法进行调整，而元空间使用的是直接内存，受本机可用内存的限制，虽然元空间仍旧可能溢出，但是比原来出现的几率会更小。

当元空间溢出时会得到如下错误： java.lang.OutOfMemoryError: MetaSpace

你可以使用 -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。-XX：MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。

2. 元空间里面存放的是类的元数据，这样加载多少类的元数据就不由 MaxPermSize 控制了, 而由系统的实际可用空间来控制，这样能加载的类就更多了。

3. 在 JDK8，合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时, JRockit 从来没有一个叫永久代的概念, 合并之后就没有必要额外的设置这么一个永久代的地方了。

方法区的发展迁移过程

JDK 6 时，HotSpot 团队就有放弃永久代、逐步改为本地内存来实现方法区的计划了。JDK 7 ，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移除。JDK8，终于完全放弃了永久代，把JDK 7 中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

根据《Java虚拟机规范》,如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出 OOM 异常。

2.2.6 字符串常量池

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，还有常量池表（用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用）

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然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 错误。

JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。

修正(issue747，reference)：

1. JDK1.7之前运行时常量池逻辑包含字符串常量池存放在方法区, 此时hotspot虚拟机对方法区的实现为永久代
2. JDK1.7 字符串常量池被从方法区拿到了堆中, 这里没有提到运行时常量池，也就是说字符串常量池被单独拿到堆，运行时常量池剩下的东西还在方法区, 也就是hotspot中的永久代 。
3. JDK1.8 hotspot移除了永久代用元空间(Metaspace)取而代之, 这时候字符串常量池还在堆, 运行时常量池还在方法区, 只不过方法区的实现从永久代变成了元空间(Metaspace)

2.2.7 直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。

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

本机直接内存的分配不会受到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。