深入理解Java虚拟机(二)：JAVA内存管理机制-运行时数据区域

我不是女神ヾ 2022-03-16 01:46 151阅读 0赞

> java与c++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外的人想进去，墙里面的人却向出来。  
> 对于从事C、C++程序开发的开发人员来说，在内存管理领域，他们既是拥有最高权力的“皇帝”又是从事最基础工作的“劳动人民”——既拥有每一个对象的“所有权”，又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。  
> 对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存这一切看起来都很美好。不过，也正是因为Java程序员把内存控制的权力交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

#### Java虚拟机运行时数据区 ####

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##### 程序计数器 #####

程序计数器(Program CounterRegister) 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的行号指示器. 在虚拟机的概念模型里, 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选去吓一跳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.

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的, 在任何一个确定的时刻, 一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核) 只会执行一条线程中的指令. 因此, 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, 各条线程之间的计数器互不影响, 独立存储, 我们称这类内存区域为"线程私有内存".

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.

##### 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: 每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(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至执行完成的过程, 就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程.

局部变量表存放了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(reference类型, 它不等同于对象本身, 根据不同的虚拟机实现, 他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).

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.

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Java虚拟机都可动态拓展, 只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈),当拓展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryEoor异常.

##### 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(也就是字节码)服务, 而本地方法栈则是为虚拟机使用到Native方法服务. 虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言, 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虚拟机规范中描述的是: 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的逐渐成熟, 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做"GC堆"(Garbage Collected Heap), 如果从内存回收的角度看, 由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法, 所以Java堆中还可以细分为: 新生代和老年代; 在细致一点的有Eden空间, From Survivor空间, To Survivor空间等. 如果从内存分配的角度看, 线程共享的Java对中可能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堆上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, 也可以是可拓展的, 不过当前主流的虚拟机都是按照可拓展来实现的( 通过-Xms 初始化堆, -Xmx 最大堆空间), 如果在堆中没有内存完成实例分配, 并且堆也无法在拓展时, 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。很多人都更愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），但是并不等价，因为这块区域也有可能发生GC。

##### 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翅中, 这种特性被开发人员利用的比较多的便是String类的intern() 方法.

##### 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地使用, 而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现. 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, 则肯定还是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制. 服务器管理员配置虚拟机参数时, 一般会根据实际内存-Xmx等参数信息, 但经常会忽略到直接内存, 使得各个内存区域的总和大于物理内存限制(包括物理上的和操作系统级的限制), 从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常.

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