2019-03-01 | Java | UNLOCK

JVM-JVM内存结构

Java 虚拟机(Java Virtual Machine=JVM)的内存空间分为5个部分,分别是:

1.程序计数器
2.Java 虚拟机栈
3.本地方法栈
4.堆
5.方法区
JVM_01.png

JDK 1.8 同 JDK 1.7 比,最大的差别就是:元数据区取代了永久代。元空间的本质和永久代类似,都是对 JVM 规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于:元数据空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存。

1 程序计数器(PC 寄存器)

1.1 程序计数器的定义

程序计数器是一块较小的内存空间,是当前线程正在执行的字节码的行号指示器,即当前线程正在执行的那一条字节码指令的地址。

注: 若当前线程正在执行的是一个本地方法,那么此时程序计数器为空(Undefined)。

1.2 程序计数器的作用

程序计数器有两个作用:

(1)字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令,从而实现代码的流程控制,如:顺序执行、选择、循环、异常处理。

(2)在多线程的情况下,程序计数器用于记录当前线程执行的位置,从而当线程被切换回来的时候,就能够知道该线程上次运行到哪儿了。

1.3 程序计数器的特点

(1)一块较小的内存空间

(2)线程私有,每条线程都有自己的一个程序计数器。

(3)唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域。

(4)生命周期随着线程的创建而创建,随着线程的结束而销毁。

2 Java虚拟机栈(JVM Stack)(Java 栈)

2.1 Java虚拟机栈的定义

Java虚拟机栈是描述Java方法运行过程的内存模型。

Java虚拟机栈会为每一个即将运行的Java方法创建一块叫做“栈帧”的区域,这块区域用于存储该方法在运行过程中所需要的一些信息,这些信息包括:

(1)局部变量表
(2)存放基本数据类型变量、引用类型的变量、returnAddress类型的变量。
(3)操作数栈
(4)动态链接
(5)方法出口信息
JVM_02.png

2.2 压栈出栈过程

当一个方法即将被运行时,Java虚拟机栈首先会在Java虚拟机栈中为该方法创建一块“栈帧”,栈帧中包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。当方法在运行过程中需要创建局部变量时,就将局部变量的值存入栈帧的局部变量表中。

Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈,也就是当前正在执行的方法,PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用,当在这个栈帧中调用另一个方法,与之对应的栈帧又会被创建,新创建的栈帧压入栈顶,变为当前的活动栈帧。方法结束后,当前栈帧被移出,栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值,那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

由于Java 虚拟机栈是与线程对应的,数据不是线程共享的,因此不用关心数据一致性问题,也不会存在同步锁的问题。

当这个方法执行完毕后,这个方法所对应的栈帧将会出栈,并释放内存空间。

注意: 人们常说,Java的内存空间分为“栈”和“堆”,栈中存放局部变量,堆中存放对象。

这句话不完全正确!这里的“堆”可以这么理解,但这里的“栈”只代表了Java虚拟机栈中的局部变量表部分。真正的Java虚拟机栈是由一个个栈帧组成,而每个栈帧中都拥有:局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。

2.3 Java 虚拟机栈的特点

(1)局部变量表的创建是在方法被执行的时候,随着栈帧的创建而创建。而且,局部变量表的大小在编译时期就确定下来了,在创建的时候只需分配事先规定好的大小即可。此外,在方法运行的过程中局部变量表的大小是不会发生改变的。

(2)Java 虚拟机栈会出现两种异常:StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

a) StackOverFlowError: 若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展,那么当线程请求栈的深度超过当前Java虚拟机栈的最大深度的时候,就抛出StackOverFlowError异常。

b) OutOfMemoryError: 若Java虚拟机栈的内存大小允许动态扩展,且当线程请求栈时内存用完了,无法再动态扩展了,此时抛出OutOfMemoryError异常。

(3)Java虚拟机栈也是线程私有的,每个线程都有各自的Java虚拟机栈,而且随着线程的创建而创建,随着线程的结束而销毁。

注:StackOverFlowError和OutOfMemoryError的异同? StackOverFlowError表示当前线程申请的栈超过了事先定好的栈的最大深度,但内存空间可能还有很多。而OutOfMemoryError是指当线程申请栈时发现栈已经满了,而且内存也全都用光了。

3 本地方法栈(C 栈)

3.1 本地方法栈的定义

本地方法栈是为 JVM 运行 Native 方法准备的空间,由于很多 Native 方法都是用 C 语言实现的,所以它通常又叫 C 栈。

本地方法栈和Java虚拟机栈实现的功能类似,只不过本地方法区是本地方法运行的内存模型。

3.2 栈帧变化过程

本地方法被执行的时候,在本地方法栈也会创建一个栈帧,用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。

方法执行结束后,相应的栈帧也会出栈,并释放内存空间。

也会抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 异常。

如果 Java 虚拟机本身不支持 Native 方法,或是本身不依赖于传统栈,那么可以不提供本地方法栈。如果支持本地方法栈,那么这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。

4 堆

4.1 堆的定义

堆是用来存放对象的内存空间,几乎所有的对象都存储在堆中。

4.2 堆的特点

(1)线程共享,整个 Java 虚拟机只有一个堆,所有的线程都访问同一个堆。而程序计数器、Java 虚拟机栈、本地方法栈都是一个线程对应一个的。

(2)在虚拟机启动时创建。

(3)垃圾回收的主要场所。

(4)可以进一步细分为:新生代(Eden区 、From Survior 、To Survivor)、老年代。

新生代又可被分为:Eden、From Survior、To Survior。不同的区域存放具有不同生命周期的对象。这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法,从而更具有针对性,更高效。

(5)堆的大小既可以固定也可以扩展,但对于主流的虚拟机,堆的大小是可扩展的,因此当线程请求分配内存,但堆已满,且内存已满无法再扩展时,就抛出 OutOfMemoryError。

注意: Java 堆所使用的内存不需要保证是连续的。而由于堆是被所有线程共享的,所以对它的访问需要注意同步问题,方法和对应的属性都需要保证一致性。

5 方法区

5.1 方法区的定义

Java 虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分。

方法区中存放以下信息:

(1)已经被虚拟机加载的类信息、

(2)常量

(3)静态变量

(4)即时编译器编译后的代码

5.2 方法区的特点

(1)线程共享:方法区是堆的一个逻辑部分,因此和堆一样,都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区。

(2)永久代:方法区中的信息一般需要长期存在,而且它又是堆的逻辑分区,因此用堆的划分方法,我们把方法区称为老年代(“永久代”)。

(3)内存回收效率低:方法区中的信息一般需要长期存在,回收一遍内存之后可能只有少量信息无效。对方法区的内存回收的主要目标是:对常量池的回收 和 对类型的卸载。

(4)Java虚拟机规范对方法区的要求比较宽松:和堆一样,允许固定大小,也允许可扩展的大小,还允许不实现垃圾回收。

5.3 运行时常量池

方法区中存放三种数据:类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。其中常量存储在运行时常量池中。

一般在一个类中通过public static final来声明一个常量。这个类被编译后便生成Class文件,这个类的所有信息都存储在这个class文件中。

当这个类被Java虚拟机加载后,.class文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间,可以向常量池中添加新的常量。如:String类的intern()方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。

当运行时常量池中的某些常量没有被对象引用,同时也没有被变量引用,那么就需要垃圾收集器回收。

6 直接内存(堆外内存)

直接内存是除Java虚拟机之外的内存,但也有可能被Java使用。

6.1 操作直接内存

在NIO中引入了一种基于通道和缓冲的IO方式。它可以通过调用本地方法直接分配Java虚拟机之外的内存,然后通过一个存储在Java堆中的 DirectByteBuffer 对象直接操作该内存,而无需先将外面内存中的数据复制到堆中再操作,从而提升了数据操作的效率。

直接内存的大小不受Java虚拟机控制,但既然是内存,当内存不足时就会抛出OOM(OutOfMemoryError )异常。

6.2 直接内存与堆内存比较

(1)直接内存申请空间耗费更高的性能

(2)直接内存读取 IO 的性能要优于普通的堆内存。

(3)直接内存作用链: 本地 IO -> 直接内存 -> 本地 IO

(4)堆内存作用链:本地 IO -> 直接内存 -> 非直接内存 -> 直接内存 -> 本地 IO

注意: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,但经常忽略直接内存,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。

7 总结

Java虚拟机的内存模型中一共有两个“栈”,分别是:Java虚拟机栈和本地方法栈。

两个“栈”的功能类似,都是方法运行过程的内存模型。并且两个“栈”内部构造相同,都是线程私有。

只不过Java虚拟机栈描述的是Java方法运行过程的内存模型,而本地方法栈是描述Java本地方法运行过程的内存模型。

Java虚拟机的内存模型中一共有两个“堆”,一个是原本的堆,一个是方法区。方法区本质上是属于堆的一个逻辑部分。堆中存放对象,方法区中存放类信息、常量、静态变量、即时编译器编译的代码。

堆是Java虚拟机中最大的一块内存区域,也是垃圾收集器主要的工作区域。

程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈是线程私有的,即每个线程都拥有各自的程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈。并且他们的生命周期和所属的线程一样。

而堆、方法区是线程共享的,在Java虚拟机中只有一个堆、一个方法栈。并在JVM启动的时候就创建,JVM停止才销毁。

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