Java内存学习笔记01-运行时数据区域划分

Posted 2022-12-10 双木青橙

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成若干个不同的数据区域，如下所示：

1. 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是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，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
程序计数器是线程私有的，各线程之间的计数器互不影响，独立存储。
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；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2. Java 虚拟机栈

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，生命周期与线程相同。

1. 虚拟机栈描述的是Java执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
2. 局部变量表存放了编译期可知的各种基本类型（boolean、byte、char 、short、 int、 float 、long 、double）、引用对象（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）， 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。
3. Java虚拟机规范中对此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；如果虚拟机可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时会招聘OutOfMemoryError异常。

3. 本地方法栈

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（字节码）服务，而本地方法栈则是虚拟机使用到的Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会招聘StackoverflowError和OutOfMemoryError异常

4. Java堆

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。在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。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为”GC堆“（Garbage Collected Heap）。
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。当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过 -Xmx -Xms 控制）。如果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。

5. 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
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有必要的。
根据Java虚拟机规范的规定，当方法无法满足内存分配需求时，将抛出OOM异常。

6. 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，还有一个信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内存将在类加载后存放到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能在编译期产生，也就是并非预置入Class文件中常量池中的内容才能进入方法区运动时常量池，运行期间也可能将新的常量池放入池中，这种特性被开发人员利用比较多的便是String类的intern()方法。

2.7 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。
本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是还是会受到本机总内存（包括RAM及SWAP区或者分页文件）的大小及处理器寻址空间的限制。

学习材料

《深入理解Java虚拟机JVM高级特性与最佳实践第3版》第二章