Java虚拟机-JVM内存布局

深藏阁楼爱情的钟 2022-11-27 00:46 194阅读 0赞

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# 一、程序计数器（Program Counter Register） #

程序计数器是一块较小的内存空间，是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

字节码解释器通过改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，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。

Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，为了使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，程序计数器为“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）。

程序计数器是唯一 一个没有OutOfMemoryError的区域。

# 二、Java虚拟机栈（JVM stacks） #

Java虚拟机栈是线程私有的，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。

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

当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常

在概念模型中，两个不同栈帧作为不同方法的虚拟机栈的元素，是完全相互独立的。但是在大多虚拟机的实现里都会进行一些优化处理，令两个栈帧出现一部分重叠。让下面栈帧的部分操作数栈与上面栈帧的部分局部变量表重叠在一起，这样做不仅节约了一些空间，更重要的是在进行方法调用时就可以直接共用一部分数据，无须进行额外的参数复制传递了。

**局部变量表（Loacl Variable Table）**

局部变量表存放了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者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）。

局部变量表的容量以变量槽（Variable Slot）为最小单位，64位长度的long和double类型占用两个变量槽，其余数据类型占用一个。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。

**操作数栈（Operand Stack）**

操作数栈是一个后入先出（Last InFirst Out，LIFO）栈。在方法的执行过程中，会有出栈和入栈操作。

**动态连接（Dynamic Linking）**

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池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（Dynamic Linking）。

**返回地址（Return Address）**

当一个方法开始执行后，只有两种方式退出这个方法。第一种方式是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令,

另外一种退出方式是在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到妥善处理。

无论采用何种退出方式，在方法退出之后，都必须返回到最初方法被调用时的位置，程序才能继续执行，方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层主调方法的执行状态

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# 三、本地方法栈（Native Method Stacks） #

本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

本地方法栈在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

# 四、Java堆（Heap） #

Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块，也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（逃逸分析技术使Java对象实例都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内存区域，也被称作“GC堆”。

从回收内存的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以Java堆中还可以分为：新生代、老年代、永久代，新生代又分为：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。G1收集器的出现以后，HotSpot里面也出现了不采用分代设计的新垃圾收集器。

如果从分配内存的角度看，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。

Java堆可以处于物理上不连续逻辑连续的内存空间。对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。

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。

# 五、方法区（Method Area） #

方法区（Method Area）是各个线程共享的内存区域，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，也称为“非堆”（Non-Heap）。

方法区和永久代（Permanent Generation）并不是等价的，HotSpot虚拟机使用永久代来实现方法区而已。

JDK 7的HotSpot将字符串常量池、静态变量等移出永久代。

JDK 8的HotSpot完全废弃了永久代的概念，在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

方法区可以选择不实现垃圾收集。方法区内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

jdk1.7以前永久代配置：-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize

jdk1.8以后元空间配置：-XX:MetaspaceSize、 -XX:MaxMetaspaceSize

如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

# 六、运行时常量池（Runtime Constant Pool） #

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表（Constant Pool Table），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。

由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。运行时常量池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产生，运行期间也可能将新的常量放入池中（String类的intern()方法）。

当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

# 七、直接内存（Direct Memory） #

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分

JDK 1.4中NIO（NewInput/Output）类（基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式），使用Native函数库直接分配堆外内存，通过DirectByteBuffer对象的引用来操作这块内存，避免在Java堆和Native堆中来回复制数据。

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大小以及处理器寻址空间的限制，各个内存区域总和大于物理内存限制，会导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

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