[JVM]了断局: “运行时数据区“理论梳理

 

一.前言

二.运行时数据区

2.1.程序计数器

2.2.Java堆

2.3.方法区

2.4.运行时常量池

2.5.直接内存

2.6.Java虚拟机栈

2.7.本地方法栈

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一.前言

Java虚拟机是整个Java平台的基石，是Java技术用以实现硬件无关与操作系统无关的关键部分，是Java语言生成出极小体积的编译代码的运行平台，是保障用户机器免于恶意代码损害的屏障。           --------  《Java虚拟机规范》

图片地址: https://www.processon.com/view/5cff6c05e4b0a65d8095d130

二.运行时数据区

接下来主要说明Java虚拟机[运行时数据区]的内存划分..

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

 

2.1.程序计数器

看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。  属于“线程私有”的内存。

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，

它是程序控制流的指示器， 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。

 

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；

如果正在执行的是本地（Native） 方法， 这个计数器值则应为空（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。

 

2.2.Java堆

所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建.

用于存放对象实例,Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存 [ 逃逸分析技术: 栈上分配、 标量替换 ]

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域, 现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计[以CMS为代表,G1之后除外...],

 

所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer， TLAB, 以提升对象分配时的效率。 

 

根据《Java虚拟机规范》 的规定，

所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配

The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated .

Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中， 但在逻辑上它应该被视为连续的.[看具体实现]

Java堆既可以被实现成固定大小的， 也可以是可扩展的， 通过参数-Xmx和-Xms设定.

如果在Java堆中没有内存完成实例分配， 并且堆也无法再扩展时， Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

 

2.3.方法区

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型信息、 常量、 静态变量、 即时编译器编译后的代码缓存等数据。

Java虚拟机规范》 中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作“非堆”（Non-Heap） ，目的是与Java堆区分开来.

JDK 7的HotSpot， 已经把原本放在永久代的字符串常量池、 静态变量等移出

JDK8， 终于完全废弃了永久代的概念, 使用元空间（Meta-space） 代替.   [元空间是存储在本地内存（Native Memory）]

 

《Java虚拟机规范》 对方法区的约束是非常宽松的， 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， 甚至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的确是比较少出现的， 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效果比较难令人满意， 尤其是类型的卸载， 条件相当苛刻， 但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。 以前Sun公司的Bug列表中， 曾出现过的若干个严重的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。

 

2.4.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表（Constant PoolTable） ，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用， 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。同时运行期间也可以将新的常量放入池中.

运行时常量池是方法区的一部分， 自然受到方法区内存的限制， 常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2.5.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。

本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制， 但是,会受到本机总内存（包括物理内存、 SWAP分区或者分页文件） 大小以及处理器寻址空间的限制,动态扩展可能会抛出OutOfMemoryError .

在JDK 1.4中新加入了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[或者使用unsafe类]， 然后通过一个存储在Java堆里面的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

 

2.6.Java虚拟机栈

线程私有,生命周期与线程相同. 

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型： 每个方法被执行的时候， Java虚拟机都会同步创建一个栈帧 ( Stack Frame） 用于存储局部变量表、 操作数栈、 动态连接、 方法出口等信息。

每一个方法被调用直至执行完毕的过程， 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Java虚拟机基本数据类型（boolean、 byte、char、 short、 int、 float、 long、 double).

对象引用（reference类型， 它并不等同于对象本身， 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） 。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot） 来表示， 其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽， 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， 这个方法需要在栈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。 注意， 这里说的“大小”是指变量槽的数量， 虚拟机真正使用多大的内存空间（譬如按照1个变量槽占用32个比特、 64个比特， 或者更多） 来实现一个变量槽， 这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情

在《Java虚拟机规范》 中， 对这个内存区域规定了两类异常状况： 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Java虚拟机栈容量可以动态扩展， 当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

2.7.本地方法栈

本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native） 方法服务。

虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码） 服务.

 

Java虚拟机规范》 对本地方法栈中方法使用的语言、 使用方式与数据结构并没有任何强制规定， 因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它， 甚至有的Java虚拟机（譬如Hot-Spot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， 本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常

 

 

 

 

 

 

参考:

JAVA虚拟机规范  JAVA SE 8版

深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）-周志明