超详细JVM虚拟机内存区域详解

Posted 2021-04-17 amcto

    

   

理解JVM虚拟机的内存划分，对开发或者面试都很重要的。包括理解内部结构、工作原理。

本篇会详细讲解jvm内存区域划分，并比对各个JDK版本之间差异。先看下图：

Java运行时数据区一般我们分为五大区域，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区。它们的用途不同，有的是伴随着JVM启动而产生、有的是伴随着用户线程创建或销毁。

一. 程序计数器

1. 线程上下文切换和程序计数器的关系？

2. 线程执行本地方法和Java方法，程序计数器的异同？

3. 程序计数器有没有可能发生OutOfMemoryError？

二. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

早期的JVM叫做java栈。是线程私有，随着线程的创建而产生，线程结束而销毁。当线程创建时，会伴随创建栈帧（Stack Frame），对应着java方法的调用。

一个方法调用的过程就对应着入栈（压栈）到出栈（弹栈）。

可以通过-Xss参数来设置虚拟机栈为固定大小，则当线程创建的时候，就会确定大小。也可以也允许通过计算结果动态来扩容和收缩大小。

会出现以下异常：

1. 假如线程请求分配的栈容量超过了 Java 虚拟机栈允许的最大容量，Java 虚拟机将会抛出 StackOverflowError 异常。

2. 如果 Java 虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那 Java 虚拟机将抛出一个 OutOfMemoryError 异常。

java虚拟机栈包括：

1. 栈帧（Stack Frame）

   Java虚拟机栈的单位元素，每次方法调用都会创建。一个方法调用的过程就对应着入栈（压栈）到出栈（弹栈）。

2. 局部变量表（Local Variable Table）

   栈帧中会存储局部变量表，包括参数和方法内部定义的局部变量。

3. 操作数栈（Operand Stack）

   操作数栈是一个后入先出（Last In First Out）栈，方法的执行操作在操作数栈中完成，每一个字节码指令往操作数栈进行写入和提取的过程，就是入栈和出栈的过程。

4. 动态连接（Dynamic Linking）

   每个栈帧都包含一个指运行时常量池（JVM 运行时数据区域）中该栈帧所属性方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。方法的重写，java中的多态，需要动态连接找到具体的方法去执行，JVM会通过多种方式优化查找过程，包括通过缓存。

三. 堆（Heap）

堆是JVM最大的一块区域，是线程共享的区域，在JVM启动时创建，存储Java实例对象，通过-Xmx指定堆最大空间。

堆内存分为新生代 (Young) 和老年代 (Old) ，新生代 (Young) 又被划分为三个区域：Eden、From Survivor、To Survivor。

堆内存是逻辑上连续，物理上可以不连续的空间。堆空间可以动态分配，如果扩展无法申请足够内存，会抛出OutOfMemoryError。

四. 本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈和Java 虚拟机栈发挥的作用类似，区别是，Java 虚拟机栈为运行Java方法服务，本地方法栈是为Native方法服务。在Hotspot JVM，两者是同一块区域。

五. 方法区（Method Area）

该区域被线程共享。早期的Jdk版本作用是类信息、常量、字符串常量、类静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

现在JVM规范中，描述为Non-Heap（非堆），与堆做区分。包括运行时常量池（Runtime Constant Pool）。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）内容包括：

1. 字面量，包括：文本字符串、被声明为final的常量值、基本数据类型的值（基本数据类型的包装类比如Byte、Short、Integer、Long、Character、Boolean也实现了常量池技术，在-128到127之间用常量池）。Float 和 Double没有实现常量池技术。

2. 符号引用，类和结构的完全限定名、字段名称和描述符、方法名称和描述符号。

方法区随着JDK的升级有如下变化：

1.JDK6

• Klass 元数据信息

• 每个类的运行时常量池（字段、方法、类、接口等符号引用）、编译后的代码

• 静态字段（无论是否有final）在 instanceKlass 末尾（位于 PermGen 内）

• oop（Ordinary Object Pointer（普通对象指针）） 其实就是 Class 对象实例

• 全局字符串常量池 StringTable，本质上就是个 Hashtable

• 符号引用（类型指针是 SymbolKlass）

2.JDK7

• Klass 元数据信息

• 每个类的运行时常量池（字段、方法、类、接口等符号引用）、编译后的代码

• 静态字段从 instanceKlass 末尾移动到了 java.lang.Class 对象（oop）的末尾（位于 Java Heap 内）

• oop 与全局字符串常量池移到 Java Heap 上

• 符号引用被移动到 Native Heap 中

  
  

3.JDK8

• 移除永久代

• Klass 元数据信息

• 每个类的运行时常量池、编译后的代码移到了另一块与堆不相连的本地内存 -- 元空间（Metaspace）

  
  

总结：有可能发生OutOfMemoryError错误区域如下：

1. 堆内存不足，抛出的错误信息是“java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space”。

2. Java虚拟机栈和本地方法栈，有可能出现StackOverFlowError和OutOfMemoryError。

3. 老版本的JVM，堆内存的永久代，也会出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。随着方法区移入元数据区，异常信息变为：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace。

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