JVM-Java内存区域

雨点打透心脏的1/2处 2022-05-14 01:50 248阅读 0赞

## 1.为什么要了解JVM？ ##

不知道你是否写过C++和C语言的程序，当你用new创建一个对象的时候，就必须去写配对的delete/free代码，来释放该对象的内存。这是因为C++和C语言对象的内存都是由程序员来管理的，也就是承担着每一个对象生命开始到终结的维护责任。

来看这篇文章的朋友肯定写过Java程序，在写Java程序中，我们并没有看到delete/free代码来释放对象的内存。那么对象的内存不是由程序员来管理由谁来管理呢？答案很明显就是JVM。JVM的内存管理机制不容易出现内存的泄漏和内存的溢出问题。但是一旦出现内存泄漏和内存溢出的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作，就是要了解学习JVM的原因。

也就有那么一句话：Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。（意思就是说，Java内存管理机制虽然很好很方便，但是一出现问题我们必须了解JVM原理才能解决问题。而C++虽然比较容易解决这方面的问题，但是在编写代码的时候比较麻烦。各有好处。）

## 2.运行时数据区域 ##

java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区

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找过JVM相关资料的朋友，对上面的图片应该是比较熟悉。Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它管理的内存划分为若干不同的数据区域。（这里补充一下：**一个Java程序对应一个JVM虚拟机的运行**，例如：同一台机器上运行三个Java程序，就会有三个运行中的Java虚拟机）这些区域都要各自的用途，以及创建和销毁时间。有的区域随着虚拟机进程的启动而存在（这里指的是线程共享的数据区域），有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁（这里指的是线程私有的数据区域）。

### 2.1程序计数器（Program Counter Register） ###

程序计数器是一块**较小**的内存空间（甚至在一些情况下该内存空间可以忽略不计）。它可以看作是当前线程所执行的字节码的**行号指示器**。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选去**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。（这里可能会有点难理解，可以暂时先把字节码指令先理解成一行JAVA语句）

由于Java虚拟机的多线程是通过先的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是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。（这里涉及到计算机操作系统的知识了）。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。（就好比一些餐厅上菜一样，每一桌都有一张已经点好的菜单清单，服务员来上我这一桌的菜后，记录一下上到那一道菜，这个服务员可能接下来会服务其他桌的客人，等他又重新来服务我这一桌的时候，看一下清单就知道上到那一道菜，不会重新来服务的时候已经不知道服务到哪里去了，每一桌都私有一张清单）

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。

### 2.2Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks） ###

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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。（有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁）虚拟机栈描述的是Java**方法**执行的内存模型（注意是方法）：每一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。每一个方法从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入栈到出栈的过程。（这里首先必须知道栈的先进后出的原理，栈帧的话需要看上面的图比较好理解。执行一个方法就创建一个栈帧进栈，这个方法执行完才出栈。如果在A方法执行过程中调用了B方法，B方法栈帧入栈，执行完出栈，A方法继续执行。）

**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，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，反正就不是对象本身）和returnAddress类型（指向了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**（Slot），其余的数据类型占用1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。（我个人的认为之所以能够完全确定是因为基本数据类所占用的局部变量空间是确定的，而对象引用不是对象本身，如果是对象本身的话可能就不能确定内存空间的大小。起始地址的引用指针、句柄等能够确定局部变量空间大小也就是占用一个局部变量空间）

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，（栈不可能是无限大的，有一定的大小。当一个方法A调用另一个方法B，这个方法B又调用另外一个方法C，如此循环。不断创建新的栈帧压入栈，必然会超出栈所能承受的深度，将抛出StackOverflowError异常）。如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

### 2.3本地方法栈（Native Method Stack） ###

本地方法栈与虚拟机栈所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。**有的虚拟机（譬如Sun HotSpot 虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

### 2.4 堆 ###

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中**最大**的一块（最小是程序计数器）。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**。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。

Java堆是垃圾回收器管理的**主要区域**，因此很多时候也被称为“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度看，由于现代收集器基本都采用**分代收集算法（先理解为新生代区域用一种算法，老年代区域用另一种算法）**，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 Servivor空间、To Survivor空间等。

如果堆中每一内存完成实例分配，并且堆也无法在扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

###    2.5 方法区（Method Area） ###

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叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开。

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。

**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，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生成，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得比较多的是String类的intern()方法。

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