JVM内存结构浅析

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我们经常会碰到StackOverFlowError，OutOfMemoryError,到底是什么东西造成内存爆了呢，这时就要求我们知道JVM的内存结构了。我们通过这篇文章来了解一下JVM内存结构包括哪些？对象被分配到哪里？变量、常量存在哪个区域？哪些区域线程共享，哪些是线程私有？等等一些问题。

JVM内存区域到底什么样

Java虚拟机在执行Java程序时会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。用一张图来表示：

按照线程私有或者共享来划分jvm内存区域

下面大概介绍一下这几个内存区域：

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）,程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是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（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），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依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机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的，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。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地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器的值则为空。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堆

  • 可通过参数 -Xms 和-Xmx设置
  • Java堆是被所有线程共享,是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块 Java堆在虚拟机启动时创建。
  • Java堆唯一的目的是存放对象实例，几乎所有的对象实例和数组都在这里。
  • Java堆为了便于更好的回收和分配内存，可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor区。
  • 新生代：包括Eden区、From Survivor区、To Survivor区，系统默认这三个区的内存占比一般为8:1:1。
  • 老年代：在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。
  • Survivor空间等Java堆可以处在物理上不连续的内存空间中，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，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的）。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的声明周期与线程相同。

  1. 可通过参数 栈帧是方法运行期的基础数据结构栈容量可由-Xss设置
  2. 每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
  3. 虚拟机栈是执行Java方法的内存模型(也就是字节码)服务：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储 局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
  • 局部变量表：32位变量槽，存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用、returnAddress类型。
  • 操作数栈：基于栈的执行引擎，虚拟机把操作数栈作为它的工作区，大多数指令都要从这里弹出数据、执行运算，然后把结果压回操作数栈。
  • 动态连接：每个栈帧都包含一个指向运行时常量池（方法区的一部分）中该栈帧所属方法的引用。持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。Class文件的常量池中有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用，这种转化称为静态解析。另一部分将在每一次的运行期间转化为直接应用，这部分称为动态连接
  • 方法出口：返回方法被调用的位置，恢复上层方法的局部变量和操作数栈，如果无返回值，则把它压入调用者的操作数栈。
  1. java虚拟机栈,规定了两种异常状况：如果线程请求的深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。如果虚拟机栈动态扩展，而扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

  • 本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。
  • 与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

方法区

可通过参数-XX:MaxPermSize设置

  1. 线程共享内存区域，用于储存已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量，即编译器编译后的代码，方法区也称永久代（Permanent Generation）。

    关于永久代，其实只针对Java8之前的HotSpot虚拟机，在别的虚拟机上没有这个概念。这里的永久代实际上是方法区在HotSpot虚拟机上的内存实现位置。
    而在不同的虚拟机中，方法区的实现可以放在不同的位置。在Java8中HotSpot也废除了永久区，方法区存放在一个与堆不相连的本地区域——元空间。
    关于元空间的内容，详情请参见Java永久代去哪儿了。

  2. 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。
  3. 如何实现方法区，属于虚拟机的实现细节，不受虚拟机规范约束。
  4. 方法区主要存放java类定义信息，与垃圾回收关系不大，方法区可以选择不实现垃圾回收,但不是没有垃圾回收。
  5. 方法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。

运行时常量池

JDK1.6之前字符串常量池位于方法区之中。 JDK1.7字符串常量池已经被挪到堆之中。

可通过参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize设置

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，还有一项信息是常量池，用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载之后进入方法区的运行时常量池中存放。

一般来说，运行时常量池除了保存Class文件中描述的符号引用之外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

直接内存

可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆的最大值（-Xmx指定）一样。

直接内存并不属于java虚拟机的运行时数据区，但是这部分内存会被频繁地使用。在JDK1.4中新加入了NIO，是基于通道与缓冲区的IO方式，可以使用native函数直接在堆外分配内存，通过存储在java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用来进行操作，这样可以显著的提升性能，避免在java堆和native堆中来回复制数据对机器性能的损耗。

这是一种堆外分配很好的方式，但是既然是内存，还是会受到机器的总内存大小和处理器寻址空间的限制。