JVM—— 运行时内存结构

Posted 2022-07-17 dogelife

 

　　JVM 在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的物理内存划分成不同的内存区域，每一个区域都存放着不同的数据。每个区域也都有不同的用途，以及创建和销毁的时机，根据虚拟机规定，可以获得这样的 JVM 内存结构。

1　　程序计数器

　　程序计数器（Program Counter Register）是一块比较小的内存区域，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。就是用于存放当前线程接下来将要执行的字节码指令、分支、循环、跳转、异常等信息。在任何时候，一个处理器只能执行一个线程中的指令，为了能让 CPU 时间片轮转切换上下文之后顺利回到正确的执行位置，每条线程都有自己的独立的程序计数器，这样各个线程之间就互不影响，因此这块区域被JVM设计为线程私有的。

　　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

　　与程序计数器一样，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，与线程的生命周期相同。虚拟机栈描述 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独特的数据结构：栈帧（Stack Frame）。它主要用来存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法的调用就对应着栈帧在虚拟机栈中的压栈与出栈过程。

　　每一个线程在创建的时候，JVM 都会为其创建对应的虚拟机栈，同等大小的虚拟机栈如果局部变量表等内存信息越小，则被压入的栈帧就会越多，反之被压入的栈帧就会越少，一般可以将栈帧内存的大小称为宽度，栈帧的数量称为虚拟机栈的深度。可以把一个虚拟机栈想象成为面积固定的长方形，宽就是栈帧内保存的信息的大小，长就是栈帧的数量，也就是虚拟机栈的深度，当宽变小了，那么长就变大了，所以可以压入更多的栈帧（当然一般虚拟机栈的内存大小是指出动态扩展的）。如果某一时刻一个线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的栈深度，则会抛出 StackOverFlowError 异常；如果虚拟机可以动态扩展，扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

 3　　本地方法栈

　　本地方法栈（Native Method Stack）和虚拟机栈所发挥的作用很相似，都是线程私有的，都可以抛出 StackOverFlowError 异常 和 OutOfMemoryError 异常。他们之间的区别就是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（字节码）服务；本地方法栈则为虚拟机使用的 Native 方法服务。Java 中提供了调用本地方法的本地接口（Java Native Interface），是一些 C/C++ 程序，在线程的执行过程中，会经常碰到调用 JNI 方法的情况，比如网络通信、文件操作的底层等。

 4　　Java 堆

　　堆内存是 JVM 所管理的内存中最大的一块（从我画的情况来看，看的出来对吧）。堆内存是被所有线程所共享的一块内存区域，在虚拟机启动的时候创建。堆和栈是我们在刚接触编程的时候最容易遇到，也是醉容易搞混的两个概念，他们有的时候可以代表数据结构中的堆（就是可以实现最小二叉堆的那个）和栈（就是 FILO 那个），有的时候是表示内存的结构，所以千万不要搞混了。经常有人把 Java 内存分为堆内存和栈内存，就是指的这里的Java堆内存和虚拟机栈内存。但这种分法是比较粗糙的，所以我们还是需要学习更加细腻的分法呀。

　　堆内存被用来存放对象的实例和数组对象，就是 new 出来的那些对象。

　　此外，堆内存还是垃圾收集器管理的主要区域，具体的垃圾回收内容我们后面再仔细研读研读。因此很多时候也被称为“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从垃圾回收的角度看，现在的垃圾收集器基本都会采用分代收集算法，所以堆内存还可以被分为：新生代和老年代，更细致的可以分为 Eden 区、From Survivor 空间、To Surviver 空间等。

　　当在堆中没有内存完成分配实例，并且堆也无法完成扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

5　　方法区

　　方法区（Method Area）和堆内存一样，是所以线程共享的内存，主要用来存储已被 JVM 加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器（Just In Time，JIT）编译后的代码等数据。在 HotSpot 虚拟机里，垃圾收集分代收集扩展到了方法区。HotSpot 的垃圾收集器可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存，但是对于其他虚拟机来讲，可以不实现这样，甚至可以选择不进行垃圾回收。

　　运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。用来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允许时常量池中存放。既然有内容，那肯定也需要被 GC了，回收的主要目标也就是针对常量池的回收以及对类型的卸载。但是这个区的回收效果比较难以让人满意，容易因为此区域内存没有完全回收而造成内存泄漏。

　　同样，根据 Java 虚拟机规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。