深入理解JVM（二）：Java内存区域

落日映苍穹つ 2022-05-08 08:33 207阅读 0赞

## 运行时数据区域 ##

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包含以下几个运行时数据区域:程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区。

## 程序计数器 ##

程序计数器是一块比较小的内存空间，它可以看作是当前线程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（对于多核处理器来说）都只会执行一条线程中的质量。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。

如果线程正在执行一个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方式，这个计数器值则为空。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，它的生命周期与线程相同。虚拟机描述的Java方法执行的内存模型：每个方法执行时，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。每个方法从调用直至执行完成的过程对应着一个栈帧在虚拟机栈的入栈到出栈的过程。

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指针）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间，其余数据类型只占一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个人方法时，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的状况；如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出Stack OverflowError异常；如果虚拟机可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可以动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果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（Native Method Stack）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所使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中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强制规定，因此具体的虚拟机可以自由的实现它。甚至有的虚拟机直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法区域也会抛出Stack OverflowError和OutOfMemoryError异常。

## Java堆 ##

对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有的线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这点在Java虚拟机规范中的描述是：

> 所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器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；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，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）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象的实例，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。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，需要逻辑上使连续的即可，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，也可以是扩展的，不过当前的主流虚拟机都是可以按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。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。

## 方法区 ##

方法区与Java堆一样，是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信息、常量、静态变量，即时编译器编译后的代码数据。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叫作Non-Heap，目的是与Java堆区分开。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，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，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“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这一部分区域的回收确实是必要的。

方法区存放的信息包括：  
**类的基本信息**：  
1.每个类的全限定名  
2.每个类的直接超类的全限定名(可约束类型转换)  
3.该类是类还是接口  
4.该类型的访问修饰符  
5.直接超接口的全限定名的有序列表

**已装载类的详细信息**

1.  运行时常量池：在方法区中，每个类型都对应一个常量池，存放该类型所用到的所有常量，常量池中存储了诸如文字字符串、final变量值、类名和方法名常量。
2.  字段信息：字段信息存放类中声明的每一个字段的信息，包括字段的名、类型、修饰符。
3.  方法信息：类中声明的每一个方法的信息，包括方法名、返回值类型、参数类型、修饰符、异常、方法的字节码。  
    (在编译的时候，就已经将方法的局部变量、操作数栈大小等确定并存放在字节码中，在装载的时候，随着类一起装入方法区。)
4.  静态变量：类变量，类的所有实例都共享，我们只需知道，在方法区有个静态区，静态区专门存放静态变量和静态块。
5.  到类classloader的引用：到该类的类装载器的引用。
6.  到类class 的引用：虚拟机为每一个被装载的类型创建一个class实例，用来代表这个被装载的类。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

## 还有两个特别的区域 ##

**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、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期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中存放。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要的特征是具备动态性，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文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能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。

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

**直接内存**

直接内存并不是虚拟机运行时的数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

在JDK1.4中新加入了NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的IO方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的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。

Java如果和外界通讯，把Java堆中的内容输出到外界，则需要把Java堆复制到非Java堆，如果使用native堆，则避免了内容在Java堆和非Java堆之间的copy。非Java堆的回收不受gc的影响，需要手动进行回收。一般作为缓存使用，如DirectByteBuffer。

显然，本机直接内存分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但是经常忽略直接，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。