JVM 内存划分机制详解

目录

一、JVM 执行流程

二、JVM 运行时数据区

2.1 堆（线程共享）

2.2 Java虚拟机栈（线程私有）

2.3 本地方法栈（线程私有）

2.4 程序计数器（线程私有）

2.5 方法区（线程共享）

2.6 运行时常量池

三、内存布局中的异常问题

3.1 Java堆溢出

3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

四、总结

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一、JVM 执行流程

程序在执行之前先要把 java 代码转换成字节码（class文件），JVM 首先需要把字节码通过一定的方式：类加载器（ClassLoader） 把文件加载到内存中运行时数据区（Runtime Data Area），而字节码文件是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器 “执行引擎（Execution Engine）”将字节码翻译成底层系统指令再交由CPU去执行，而这个过程中需要调用其他语言的接口，本地库接口（Native Interface） 来实现整个程序的功能，这就是这4个主要组成部分的职责与功能。

总结来看，JVM 主要通过分为以下 4 个部分，来执行 Java 程序的：

1. 类加载器（ClassLoader）
2. 运行时数据区（Runtime Data Area）
3. 执行引擎（Execution Engine）
4. 本地库接口（Native Interface）

二、JVM 运行时数据区

JVM 运行时数据区域也叫内存布局，但需要注意的是它和 Java 内存模型（(Java Memory Model，简称 JMM）完全不同，属于完全不同的两个概念，它由以下 5 大部分组成：

2.1 堆（线程共享）

堆的作用：程序中创建的所有对象都在保存在堆中。

我们常见的 JVM 参数设置 -Xms10m 最小启动内存是针对堆的，-Xmx10m 最大运行内存也是针对堆的。

ms 是 memory start 简称，mx 是 memory max 的简称。

堆里面分为两个区域：新生代和老生代，新生代放新建的对象，当经过一定 GC 次数之后还存活的对象会放入老生代。新生代还有 3 个区域：一个 Endn + 两个 Survivor（S0/S1）。

垃圾回收的时候会将 Endn 中存活的对象放到一个未使用的 Survivor 中，并把当前的 Endn 和正在使用的 Survivor 清楚掉。

2.2 Java虚拟机栈（线程私有）

Java 虚拟机栈的作用：Java 虚拟机栈的生命周期和线程相同，Java 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。常说的堆内存、栈内存中，栈内存指的就是虚拟机栈。 Java 虚拟机栈中包含了以下 4 部分：

1. 局部变量表： 存放了编译器可知的各种基本数据类型(8大基本数据类型)、对象引用。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，在执行期间不会改变局部变量表大小。简单来说就是存放方法参数和局部变量。

2. 操作栈：每个方法会生成一个先进后出的操作栈。
3. 动态链接：指向运行时常量池的方法引用。
4. 方法返回地址：PC 寄存器的地址。

什么是线程私有?

由于JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现，因此在任何一个确定的时刻，一个处理器(多核处理器则指的是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此为了切换线程后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。我们就把类似这类区域称之为"线程私有"的内存。

2.3 本地方法栈（线程私有）

本地方法栈和虚拟机栈类似，只不过 Java 虚拟机栈是给 JVM 使用的，而本地方法栈是给本地方法使用的。

2.4 程序计数器（线程私有）

程序计数器的作用：用来记录当前线程执行的行号的。

程序计数器是一块比较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。 如果当前线程正在执行的是一个Java方法，此计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是一个Native方法，这个计数器值为空。

程序计数器内存区域是唯一一个在JVM规范中没有规定任何OOM情况的区域！

2.5 方法区（线程共享）

方法区的作用：用来存储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的。

在《Java虚拟机规范中》把此区域称之为“方法区”，而在 HotSpot 虚拟机的实现中，在 JDK 7 时此区域叫做永久代（PermGen），JDK 8 中叫做元空间（Metaspace）。

JDK 1.8 元空间的变化：

1. 对于 HotSpot 来说，JDK 8 元空间的内存属于本地内存，这样元空间的大小就不在受 JVM 最大内存的参数影响了，而是与本地内存的大小有关。

2. JDK 8 中将字符串常量池移动到了堆中。

2.6 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，存放字面量与符号引用。

字面量 : 字符串(JDK 8 移动到堆中) 、final常量、基本数据类型的值。

符号引用 : 类和结构的完全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。

三、内存布局中的异常问题

3.1 Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，只要不断的创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免来 GC 清除这些对象，那么在对象数量达到最大堆容量后就会产生内存溢出异常。

Java堆内存的OOM异常是实际应用中最常见的内存溢出情况。当出现Java堆内存溢出时，异常堆栈信息"java.lang.OutOfMemoryError"会进一步提示"Java heap space"。当出现"Java heap space"则很明确的告知我们，OOM发生在堆上。

此时要对Dump出来的文件进行分析，以MAT为例。分析问题的产生到底是出现了内存泄漏(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)

• 内存泄漏 : 泄漏对象无法被GC。

• 内存溢出 : 内存对象确实还应该存活。此时要根据JVM堆参数与物理内存相比较检查是否还应该把JVM 堆内存调大；或者检查对象的生命周期是否过长。

3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

由于HotSpot虚拟机将虚拟机栈与本地方法栈合二为一，因此对于HotSpot来说，栈容量只需要由-Xss参数来设置。

关于虚拟机栈会产生的两种异常:

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，会抛出StackOverFlow异常。
• 如果虚拟机在拓展栈时无法申请到足够的内存空间，则会抛出OOM异常。

四、总结