浅析JVM的内存分区

一、前言

  之前过年在家，空闲时间比较多，想要了解一下JVM相关的内容，于是买了《深入理解Java虚拟机》这本书，过了一遍其中的基础知识。时隔多日，都忘得差不多了。为了重新捡起来，我决定复习一遍，并编写相关的系类博文加深印象，这是第一篇，来讲一讲JVM最基础的内容——JVM的内存分区。

二、正文

 2.1 Java内存分布

  Java的内存主要分为五个部分：

1. 程序计数器；
2. Java虚拟机栈；
3. 本地方法栈；
4. 堆内存；
5. 方法区；

  具体结构如下图所示：

2.2 程序计数器

  首先看第一部分——程序计数器。上过计算机组成原理的可能都听过这个名词，也大概知道它的作用是指向下一条需要执行的计算机指令，而在JVM中，程序计数器的作用也是类似。

  程序计数器是JVM中较小的一块内存空间，它的作用是记录下一条需要执行的字节码指令的地址（Java代码编译后的字节码在未经过实时编译器编译前，其执行方式是通过“字节码解释器”进行解释执行）。在JVM的概念模型里，就是通过改变这个计数器的值来辅助程序的执行。选择，循环，方法调用，异常处理等功能都需要通过程序计数器的辅助来完成。

  JVM的多线程和CPU的多线程处理类似，都是使用时间片轮转的方式来执行各个线程，即每个线程轮流得到一个时间片，执行完这个时间片后，等待下一次调度，而每次只有一个线程在执行。正因为如此，线程在调度后，为了能够恢复到这个线程上一次执行的位置，就需要程序计数器的帮助，让程序计数器来告知下一条需要执行的指令的地址，对于每一个线程都是如此。所以，JVM中的程序计数器是线程私有的，即每一个线程都有一个独立的程序计数器，辅助当前线程的运行，各个线程之间互不影响。

  如果当前JVM执行的是一个Java方法，则程序计数器的值就是正在执行的字节码指令的地址；若当前执行的是一个本地方法（如Object的hashcode方法），则程序计数器的值为空（Undefined），因为本地方法并不会被加载到JVM的内存空间中。

 2.3 Java虚拟机栈

  虚拟机栈和程序计数器一样，也是线程私有的。Java虚拟栈是Java方法执行时需要依赖的内存空间，这个栈中的元素被称为栈帧。栈帧可以理解为一个对象，它记录了一个方法的局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法对应一个栈帧，而每一个方法从执行到返回，就对应着它所属的栈帧从入栈到出栈的过程，即当一个Java方法被调用，JVM就会创建这个方法的栈帧，并将它加入的虚拟机栈中，执行结束后才会出栈。对于JVM来说，正在执行的是虚拟机栈栈顶的栈帧所对应的方法，这个栈帧被称为当前栈帧，栈帧对应的方法被称为当前方法。

  下面我来简单介绍一下栈帧最重要的两个部分：

• 局部变量表：局部变量表是用来存放方法的参数以及在方法中定义的局部变量，它的大小在编译期间就被确定，并写入到class文件中。若一个变量是基本数据类型，则在局部变量表中存放的就是这个变量的具体值；若是引用类型，存放的则是这个变量所引用对象的地址。局部变量表的最小单位是变量槽（Slot），对于double和long类型的变量，在局部变量中需要占用两个单位，其他类型只需要占用一个单位。
• 操作数栈：从名字可以看出，这是一个栈Stack，它存放的是：方法运行时需要用到的操作数。和局部变量表一样，它的最大深度也是在编译期间就被计算好，并被写入class文件中的。在一个方法刚准备运行前，它是空的，而在运行的过程中，不断的有操作数被入栈和出栈（比如假设方法中需要计算num = 1 + 2，则在这条语句执行时，1和2被入栈，然后被取出，计算出3存入栈中，再将3取出赋值给num），程序的计算都需要依靠这个栈进行。操作数栈可以存放任意类型的数据（基本数据类型和引用类型，引用类型存放的是地址），而double和long类型将占用两个单位，其余类型占用一个单位。

  在虚拟机规范中规定，若线程的虚拟机栈的深度超过了JVM允许的最大深度，将抛出StackOverflowError（比如调用没有出口的递归方法）；若JVM实现的虚拟机栈可以动态扩展，则如果在扩展时没有申请到足够的内存，将抛出OutOfMemoryError异常。

 2.4 本地方法栈

  本地方法栈的作用和虚拟机栈相同，不同的是，虚拟机栈是辅助Java方法的运行，而本地方法栈是辅助本地方法的运行。在虚拟机规范中，并没有规定实现本地方法栈使用的语言，数据结构以及使用方式，所以JVM可以自由地实现它。与虚拟机栈一样，这一块内存区域也可能抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常，同时也是线程私有。

 2.5 堆内存

  这一块内存是JVM中最大，可能也是最重要的一块内存，而堆存在的唯一目的就是存放实例对象，几乎所有的对象都是在堆中分配内存。和之前所说的几块内存不同，堆内存是所有的线程共享的，它在虚拟机启动时被创建。

  堆内存是垃圾回收的主要区域，从内存回收的角度看，现在的垃圾回收机制一般都是分代收集，所以堆内存可以被分为新生代和老年代。新生代用来存放生命周期短的对象，这一块区域将频繁进行垃圾回收；老年代用来存放生命周期长的对象（或者在新生代内存不足时代替新生代存放对象），所以垃圾回收的频率较低，甚至不进行垃圾回收。

  根据Java虚拟机规范规定，堆可以是不连续的内存空间，只需要逻辑上连续即可。在实现虚拟机时，可以将堆实现为固定大小，也可以实现为可扩展的，当前的虚拟机一般都是采用可扩展的方式（可以通过配置参数来改变堆的大小）。如果堆中的内存被占满，实例对象无法存入，且堆无法再进行扩展时，将抛出OutOfMemaryError异常。

 2.6 方法区

  和堆一样，方法区也是线程共享的，它的作用是存放类信息，常量，静态常量等内容。Java虚拟机规范对这一块区域的限制非常宽松，方法区可以选择实现为固定的或者可扩展的，也可以选择是否实现垃圾回收。方法区中的数据，很少会发生改变，所以虚拟机规范并不强制要求在此区域实现垃圾回收。这块区域进行垃圾回收的主要目的就是卸载已经不需要使用的类，但是类卸载的条件是非常苛刻的。

  在方法区中有一块内存区域，叫做运行时常量池，它的作用就是存储编译期字面量以及符号引用。在一个类中如果定义了常量，或使用了字面量（如直接使用字符串为变量赋值，String str = ”aaa“），则在编译之后，会被放入到class文件的常量池中（class文件有一个常量池部分），同时，类编译后的符号引用也会被放入常量池。当程序运行时，class中的内容被加载到方法区中，而其中常量池的内容会被放入运行时常量池里面，被所有的类共享。运行时常量池是一个动态的内存区域，可以在程序运行时，动态的为其中添加数据，比如String类的intern()方法。因为运行时常量池是方法区的一部分，所以它的大小受到方法区的限制，当无法在其中申请空间时，将抛出OutOfMemaryError异常。

 2.7 我们平常理解的Java内存模型

  我们在学习Java的过程中，经常会看到这样的内容：Java的内存分为两部分，即栈内存和堆内存，栈内存中存放基本数据类型以及对象引用，而堆内存中存放对象。

  以上是对Java内存模型的片面描述，只关注了程序员最重视的部分。在上面的描述中，栈内存指的就是本地方法栈中，局部变量表的部分；而堆内存就是Java中的堆了。

三、总结

  以上内容对Java的内存模型进行了一个简单的描述，讨论了每一个部分的基本作用，了解了上面的内容后，再遇到Java内存方面的问题，也能更好地找出错误的所在。

四、参考

• 《深入理解Java虚拟机》