26
2017
09

Java内存模式简介

简介

    对于Java程序员来说,在JVM自动内存挂你机制的帮助下,不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码(对于C/C++程序员来说我表示遗憾),不容易出现内存泄漏和内存溢出问题,有JVM管理内存这一切看起来都很美好。不过,也正是因为Java程序员吧内存控制权交给了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JVM是如果使用内存的,那么排查错误将会是一项很困难的工作。JVM在执行Java程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些取悦都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着JVM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。那么今天简要解释一下JVM内存中不同的内存区域吧。

运行时数据区域

    根据《Java虚拟机规范(Java SE 7 版)》,Java虚拟机器所管理的内存将会包括以下几个运行的数据区域:

这里写图片描述

其中方法区和堆,为所有线程所共享的;虚拟机栈、本地方法栈、线程计数器为线程所私有的。下面详细介各个区域内容。

方法区(Method Area)

    方法区(Method Area)用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态常量、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为Non-Heap(非堆),目的是要将堆区分开来。

    方法区中有一个比较重要的一部分为运行时常量池(Runtime Constant Pool)。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),用于存放编译器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。

    Java虚拟机对Class文件每一部分的格式都有严格的规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范的要求才会被虚拟机认可、装载和执行,但对于运行时常量池,Java虚拟机规范没有任何细节的要求,不同的提供商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,还会把翻译的直接引用也存储在运行时常量池中。

    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有编译期才能产生,也就是并非预置入Class文件证常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期也可以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[inter()方法为:当调用 intern 方法时,如果池已经包含一个等于此 String 对象的字符串(用 equals(Object) 方法确定),则返回池中的字符串。否则,将此 String 对象添加到池中,并返回此 String 对象的引用。];

堆(Heap)

    对于大对数应用来说,Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块了。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。它存在的唯一目的是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。但是随着新技术的发展,这个说法也并不是那么绝对。

    Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被成为“GC堆”(Garbage Collected Heap[个人感觉就是垃圾堆:)])。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堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细一点可以有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度开看,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).无论怎么划分,都与存在内容无关,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。

    Java堆可以处于物理上不连续的内存空间内,只要逻辑上连续的即可,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,也可以是是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是可以按照可扩展来实现的。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。

Java虚拟机栈(VM Stack)

    线程私有,与线程的生命周期相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每一个方法在执行时,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中,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内存区分为堆内从(Heap)和栈内存(Stack),这种分法比较粗糙,Java内存区域的划分实际上很复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员眼最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其实所谓的“堆”就是上面讲的那个,而所指的“栈”就是现在这个虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

     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,可能是一个指向对象起始地址的引用地址,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)。

    当进入一个方法时,这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间已经确定了,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,则会抛出StackOverflowError异常;如果虚拟机可以动态扩展,如果无法申请到足够大的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈(Native Method Stack)

    线程私有,本地方法栈(Native Method Stack)与虚拟机栈所有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执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈是虚拟机执行Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈使用的语言,使用方式与数据结构没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机直接把虚拟机栈和本地方法栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

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这个计数器完成。
    由于Java虚拟机器的多线程是通过线程轮训切换并分配CPU执行时间来实现的,在任何一个确定时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都会只执行一条线程的指令。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“的内存。
    如果线程只在执行的是一个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).该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。

参考:
《深入理解Java虚拟机-JVN高级特性与最佳实践》

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