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  • 深入理解JVM之Java内存区域[转]

    首先我们先看一张图,根据图中分配的区域,下面做详细的介绍

     

    程序计数器(Program Counter Register)

    程序计数器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完成。每个线程都有自己独立的程序计数器,所以我们可以称这类内存区域为”线程私有“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(Java Virtual Machine Stacks)

    与程序计数器一样,Java虚拟机栈也是线程私有的,他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:每个方法在执行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。每一个方法从调用到执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。经常有人把Java内存分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),这种分法比较粗糙。这里所指的”栈“就是现在讲的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。

    局部变量表里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,可能是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者其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向一条字节码指令地址)。

    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最大深度,将抛出StackOverflowError异常;如果虚拟机栈可以动态扩展,当扩展时无法申请到足够的内存,将会抛出OutOfMemoryError异常。

    本地方法栈(Native Method Stacks)

    本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用非常相似,他们之间的区别只不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。有的虚拟机(譬如Sun HotSpot虚拟机)直接就把本地方法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(Java Heap)

    对于大多数应用来说,Java堆是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。但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,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,所有对象在堆上分配也渐渐变得不是那么”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为”GC堆“。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)。不过无论怎么划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的仍然是对象实例,进一步划分的目的只是为了更好地回收内存。

    根据Java虚拟机规范,Java堆可以处于物理上不连续的空间中,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,既可以实现固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-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,将抛出OutOfMemoryError异常。

    方法区(Method Area)

    方法区与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。

    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同永久代名字一样”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必要的。在Sun公司的BUG列表中,曾出现过的若干个严重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露。根据Java虚拟机规范的规定,当方法区内存无法满足分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

    运行时常量池(Runtime Constant Pool)

    运行时常量池是方法区的一部分。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),用于存放编译期产生的各种字面量和符号的引用,这部分内容将在类加载后进去方法区的运行时常量池中存放。

    Java虚拟机对Class文件每一部分的格式都有严格规定,每一字节用于存储那种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机加载认可、装载和执行,但对于运行时常量池,Java虚拟机规范没有做任何细节要求,不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域。不过一般来说,除了保存Class文件中描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池。

    运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征就是具备动态性,Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生,也就是说并非置入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池中,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(Direct Memory)

    直接内存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的使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常,所以我们放到这里一起讲解。

    在JDK 1.4中新加入NIO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。

    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,肯定还是会受到本机总内存(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。服务器管理员在配置虚拟机参数时,会根据实际内存设置-Xmx等参数信息,但经常忽略直接内存,使得各内存区域各个内存区域总和大于物理内存限制,从而导致动态扩展是出现OutOfMemoryError异常。

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