深入理解 Java 虚拟机 1——内存区域

《深入理解Java虚拟机》第2章读书笔记



本文介绍了JVM内存的各个区域和他们的用途。本文并非原创，是《深入理解Java虚拟机》第2章的整理、总结和补充。



运行时内存区域



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。



下图为《Java虚拟机规范》规定的几个区域，不同虚拟机实现起来略有区别：





程序计数器



保存线程当前工作状态。



程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它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（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。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的地址。



如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。



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



每个方法执行时都会创建一个栈帧，栈帧里有个局部变量表存储着基本数据类型和对象引用。



Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。



虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：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。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。



Java内存经常被粗糙的分为堆内存和栈内存，其中栈内存就是指的虚拟机栈。



局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAdress类型。



其中64位的 long 和 double 类型的数据会占用2个局部变量空间，其余的数据类型只占用1个。



局部变量表所需的内存空间在编译期间内完成分配，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。



如果请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度（比如无限深度的递归），将抛出 StackOverflowError 异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（大部分虚拟机都可以），如果无法申请到足够的内存，就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

本地方法栈



与虚拟机栈相似，只是为Native方法服务。



虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务。本地方法栈则为虚拟机使用到的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没有强制规定，虚拟机可以自由实现它，甚至可以把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。



和Java虚拟机栈一样，也会抛出StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。



Java堆



存放对象实例，GC主要管理的区域。



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。



Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，也被称为“GC堆”。



Java堆可以处于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。堆的内存大小是可扩展的（通过-Xmx 和 -Xms）。



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，将抛出 OutOfMemoryError 异常



方法区



存储类信息，常量，静态变量，JIT代码。JDK1.8中HotSpot用元空间(MetaSpace)取代永久代。



方法区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（不容易发生变化的数据）。



方法区也被称为永久代（诨名），因为这个区域可以选择不实现垃圾收集。但大部分虚拟机还是会实现垃圾收集，只是回收的条件极为苛刻。



当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。



直接内存



缓冲区Buffer使用的堆外内存，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。



总结



本文介绍了Java虚拟机内存中的几个区域，分别介绍了不同区域各自的作用和特点。



线程隔离的区域：

• 程序计数器：保存线程当前工作状态。

• Java虚拟机栈：每个方法执行时都会创建一个栈帧，栈帧里有个局部变量表存储着基本数据类型和对象引用。

• 本地方法栈：与虚拟机栈相似，只是为Native方法服务。



线程共享的区域：

• Java堆：存放对象实例，GC主要管理的区域。

• 方法区：存储类信息，常量，静态变量，JIT代码。



《深入理解Java虚拟机》阅读笔记系列



深入理解Java虚拟机1——内存区域



深入理解Java虚拟机2——对象探秘



深入理解Java虚拟机3——垃圾回收



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作者 张小超



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