Java虚拟机学习笔记-Java内存区域

写在前面

  很久没写了,最近在复习预习各种基础知识,准备秋招。没写的主要原因是最近很多学到的东西都是书上的东西,没有什么可写的。而现在又开始写的原因是,我觉得以我现在的水平不足以写出什么有质量的文章,我主要还是以记录为主,记录学习笔记,整理,重温学习到的知识,这才是现在的我该做的,不能因为写不出什么有质量的文章就不写。需要说明的事,本文章是我从《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践》 这本书上面,整理出我认为比较重要的知识点,方便以后自己复习。


运行时数据区域

  Java虚拟机所管理的内存包括以下几个运行时数据域,如图所示:

运行时数据区域

程序计数器

  程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时通过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程序计数器来完成。

  为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有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。所以,程序计数器是线程隔离的数据区。

  如果线程正在执行的是一个Java方法,计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果执行的是Native方法,计数器值则为空(Undefined)。

   程序计数器是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。


Java虚拟机栈

  Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的,它描述的是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(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

  局部变量表各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference类型,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(指向了一条字节码指令的地址)。其中64位长度的double和long类型的数据会占用2个局部变量空间,其余类型只占用1个。

  在Java虚拟机规范中,对Java虚拟机栈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,抛出StackOverflowError异常;如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存,会抛出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。区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务,而本地方法栈为虚拟机使用Native方法服务。与虚拟机栈一样,本地方法栈也是线程私有的,也会抛出StackOverflowErrorOutOfMemoryError


Java堆

  Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块,是所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。Java堆唯一的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,也被叫做“GC堆“(Garbage Collected Heap)。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堆还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有Eden空间、From Survior空间、To Survior空间等。从内存分配的角度来看,线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation BufferTLAB)。

  在Java虚拟机规范中,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。在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,当前主流虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx-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。


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。Java虚拟机把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是方法区有一个别名叫做Non-Heap非堆),用于与Java堆区分开来。

  很多人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Hotpot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。

  Java虚拟机规范对方法区限制比较宽松,可以选择不实现垃圾收集。

  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。


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存放。

  当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。


直接内存

  直接内存(Direct Memory)不是虚拟机运行时数据区的一部分,注意,它不是运行时数据区的一部分。这是本文中独立于运行时数据区的另一个大标题。

  在JDK1.4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堆的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。

  直接内存受本机总内存的影响,所以在限制虚拟机内存时,忽略了直接内存,当各个内存区域总和大于物理内存限制的时候,会导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。


整理

  • 由所有线程共享的数据区:堆、方法区、运行时常量池
  • 线程隔离的数据区:程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈
  • 唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定OutOfMemoryError的数据区:程序计数器
  • 会导致OutOfMemoryError的数据区:Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区、运行时常量池、直接内存
  • 会导致StackOverflowError的数据区:Java虚拟机栈、本地方法栈

小结

  以前没仔细了解过JVM内存模型,一直简单粗暴的理解为栈、堆和常量池三部分。学习之后对JVM的内存模型有了新的认识,希望自己以后能加深了解。

  最后,如果文章中有错误,希望您能够指正,谢谢。


参考资料

Author: HowieLi
Link: https://www.howieli.cn/posts/java-mermory-area.html
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