运行时数据区

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运行时数据区

~信~仰~ 2019-11-09 13:13:33 浏览249
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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。

Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域:

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其中方法区和堆是由所有线程共享的数据区,java栈、本地方法栈、程序计数器是线程隔离的数据区。

1、程序计数器

java虚拟机实际执行的是class类型的字节码文件,程序计数器中保存了当前线程所执行的字节码的行号。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取下一条需要执行的字节码指令。

因此程序计数器可以理解为指针,用来存储指向下一条指令的地址,程序计数器是一块非常小的内存空间,几乎可以忽略不记。

从分类可知,程序计数器是线程隔离的,那么隔离的必要性是什么?

因为并发会带来线程切换,每个线程都不能避免被挂起,那么我们希望线程在唤醒时刻能够继续执行之前的任务,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,我们称这类内存区域为“线程独有”的内存。

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

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,随着线程创建而创建,随着线程结束栈内存也就释放,因此对于栈来说不存在垃圾回收问题。

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(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。每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

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上图在一个栈中有两个栈帧,栈帧2是最先被调用的方法,并且方法2又调用了方法1,因此2先入栈,1后入栈,1处于栈顶的位置,栈帧2处于栈底,执行完毕后,依次弹出栈帧1和栈帧2,线程结束,栈释放。

每执行一个方法都会产生一个栈帧,保存到栈(后进先出)的顶部,顶部栈就是当前的方法,该方法
执行完毕 后会自动将此栈帧出栈。

局部变量表存放了方法的输入参数和、出参数以及方法内的变量,方法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(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它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1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。

3、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是虚拟机用来执行java方法(也就是字节码),而本地方法栈则是虚拟机用来执行Native方法。

在虚拟机规范中对本地方法中中方法使用的语言、使用方式与数据结果并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(例如Sun HotSpot虚拟机)直接就啊本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈逾期也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4、java堆

一般而言,java堆(java Heap)是java虚拟机所管理的内存中最大的一块,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是在这里分配内存。

java堆是垃圾收集器管理的主要区域,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 Buffer,TLAB)。堆中无论哪个区域,存储的都是对象实例,划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。

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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。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。

5、方法区

方法区是各个线程共享的内存区域,用于存储已被虚拟机加载的类信息、普通常量、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,但是它还有一个别名Non-Heap(非堆),目的应该是与java堆区分开来。

jdk1.8之前,方法区被称为永久代,1.8之后取消永久代,添加元空间,实际上,可以将方法区作为一个逻辑概念或接口,而永久代和元空间都是对方法区的具体实现。元空间的本质和永久代类似,都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间的最大区别在于:元空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存。

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。相对来说,垃圾收集行为再方法区是比较少出现的,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,层出现过额若干个严重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。

当方法区无法满足内存分配需求时,也会抛出OutOfMemoryError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。

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的常量池,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。

Jdk1.6及之前: 有永久代, 常量池1.6在方法区

Jdk1.7: 有永久代,但已经逐步“去永久代”,常量池1.7在堆

Jdk1.8及之后: 无永久代,常量池1.8在元空间

运行时常量池属于方法区的一部分,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

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。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。

JDK1.4中新加入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。

直接内存的分配不会受到java堆大小的限制,但受到本机总内存(包括RAM以及SWAP区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员再配置虚拟机参数时,会根据实际内存设置-Xmx等参数信息,但是经常忽略直接内存,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。

参考:《深入理解java虚拟机》

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