Java虚拟机之运行时数据区域

Posted 2021-04-30 JavaRobot

运行时数据区域

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。这些区域都有各自的用途，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，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

程序计数器

区域	程序计数器（Program Counter Register）
特点	每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储 。
作用	字节码解释器通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。
存储	1、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； 2、如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。
内存	1、一块较小的内存空间； 2、容量至少应当能保存一个returnAddress类型的数据或者一个与平台相关的本地指针的值；
异常	唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

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。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。局部变量表存放了在编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用和returnAddress类型。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一个。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情况：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），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

区域	Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）
特点	也是线程私有的，它的生命周期与线程相同 。
作用	虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
存储	用于保存方法的栈帧（Stack Frame） 栈帧：每个方法执行时都会创建一个栈帧，随着方法调用而创建（入栈），随着方法结束而销毁（出栈）；栈帧是方法运行时的基础结构；栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息；
内存	1、JVM栈所使用的内存不需要保证是连续的； 2、JVM规范允许JVM栈被实现成固定大小的或者是根据计算动态扩展和收缩的：
异常	1、StackOverflowError： 如果线程请求分配的栈深度超过JVM栈允许的最大深度时，JVM将会抛出一个StackOverflowError异常； 2、OutOfMemoryError：如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存去完成扩展，或者在建立新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那JVM将会抛出一个OutOfMemoryError异常；

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，他们之间的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，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、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。

Java堆

对于大多数应用来说，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。此内存区域的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。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器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发生，所有的对象都分配在堆上也逐渐变得不是那么“绝对”了。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度看，线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。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中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。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。

区域	Java堆（Java Heap）
特点	1、所有线程共享； 2、生命周期与JVM相同；
作用	1、存储对象实例，更好地分配内存。 2、垃圾回收（GC）。堆是垃圾收集器管理的主要区域。更好地回收内存。
存储	用于存放几乎所有对象实例。
内存	1、Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。 2、由于很多JVM采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代、老年代和永久代； 3、和JVM栈一样，Java堆所使用的物理内存不需要保证是连续的，逻辑连续即可； 4、Java虚拟机规范允许Java堆被实现成固定大小的或者是根据计算动态扩展和收缩的。
异常	1、OutOfMemoryError：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

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。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。对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人都更愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在永久代的概念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代来实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题。Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。在Sun公司的Bug列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

区域	方法区（Method Area）
特点	所有线程共享，生命周期与JVM相同。
作用	1、为类加载器加载Class文件并解析后的类结构信息提供存储空间； 2、以及提供JVM运行时常量存储的空间；
存储	1、运行时常量池（Runtime Constant Pool）、字段和方法数据； 2、构造函数、普通方法的字节码内容以及JIT编译后的代码； 3、还包括一些在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法；
内存	1、和Java堆一样，所使用的物理内存不需要保证是连续的； 2、可以实现成固定大小的或者是根据计算动态扩展和收缩的；
差异	1、JDK7 使用永久代（Permanent Generation）实现方法区，这样就可以不用专门实现方法区的内存管理，但这容易引起内存溢出问题； 2、JDK8 永久代已被删除，类元数据（Class Metadata）存储空间在本地内存中分配，并用显式管理元数据的空间；
异常	1、OutOfMemoryError

运行时常量池

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（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存放。Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域。不过，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。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，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便是String类的intern()方法。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异常。

区域	运行时常量池（Runtime Constant Pool）
特点	方法区的一部分，所有线程共享，生命周期与JVM相同。
作用	1、虚拟机加载Class后把常量池中的数据放入到运行时常量池。 2、必须运行期解析后才能获得的方法或字段的直接引用； 3、还包括运行时可能创建的新常量（如String类intern()方法）
区分	1、运行时常量池； 2、Class文件常量池； 3、字符串常量池： JDK1.7中JVM把字符串常量池从方法区中移除了； JDK1.8中JVM把字符串常量池移入了堆中，同时取消了“永久代”，改用元空间代替（Metaspace）
异常	1、OutOfMemoryError

直接内存

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/O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堆中的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，肯定还是会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

区域	直接内存（Direct Memory）
特点	使用Native函数库直接分配堆外内存。
作用	因为避免了在Java堆中来回复制数据，能在一些场景中显著提高性能。
场景	NIO、DirectByteBuffe
异常	1、OutOfMemoryError

本文参考资料：《深入理解Java虚拟机》http://blog.csdn.net/tjiyu/article/details/53915869