一. 運行時數據區域
Java虛擬機在執行Java程序的過程中會把它所管理的內存划分為若干個不同的數據區域.
Java虛擬機所管理的內存將會包括以下幾個運行時數據區域:
1. 程序計數器
1)程序計數器(Program CounterRegister) 是一塊較小的內存空間,它的作用可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器. 在虛擬機的概念模型里, 字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選去嚇一跳需要執行的字節碼指令, 分支, 循環, 跳轉, 異常處理, 線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成.
2)由於Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的, 在任何一個確定的時刻, 一個處理器(對於多核處理器來說是一個內核) 只會執行一條線程中的指令. 因此, 為了線程切換后能恢復到正確的執行位置, 每條線程都需要有一個獨立的程序計數器, 各條線程之間的計數器互不影響, 獨立存儲, 我們稱這類內存區域為"線程私有內存".
2)如果線程正在執行的是一個Java方法, 這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址; 如果正在執行的是Native方法, 這個計數器值則為空(Undefined). 此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規范中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域.
2. Java虛擬機棧
1)與程序計數器一樣, Java虛擬機棧(Java Virtual Machine Stacks) 也是線程私有的, 它的生命周期與線程相同. 虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型: 每個方法被執行的時候都會同時創建一個棧幀(Stack Frame) 用於存儲局部變量表, 操作棧, 動態鏈接, 方法出口等信息. 每一個方法被調用直至執行完成的過程, 就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程.
2)局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型(Boolean, byte , char, short, int, float , long , double), 對象引用(reference類型, 它不等同於對象本身, 根據不同的虛擬機實現, 他可能是一個指向對象起始地址的引用指針, 也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關的位置)和returnAddress類型(指向了一條字節碼指令的地址).
3)其中64位長度的long和double類型的數據會占用2個局部變量空間(Slot), 其余的數據類型只占用一個, 局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配, 當進入一個方法時, 這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的, 在方法運行期間不會改變局部變量表的大小.
- 如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度, 將拋出StackOverflowError異常;
- 如果虛擬機棧可以動態擴展(當前大部分Java虛擬機都可動態拓展, 只不過Java虛擬機規范中也允許固定長度的虛擬機棧),當拓展時無法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryEoor異常.
3.本地方法棧
1)本地方法棧(Native Method Stacks) 與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的, 其區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法(也就是字節碼)服務, 而本地方法棧則是為虛擬機使用到Native方法服務. 虛擬機規范中對本地方法棧中的方法使用的語言, 使用方式與數據結構並沒有強制規定, 因此具體的虛擬機可以自由實現它. 甚至有的虛擬機(譬如 Sun HotSpot 虛擬機)直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一. 與虛擬機棧一樣, 本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常.
4.Java 堆
1) 對於大多數應用來說, Java堆(Java Heap) 是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊. Java堆是被所有線程共享的一塊內存區域, 在虛擬機啟動時創建. 此內存區域的唯一目的就是存放對象實例, 幾乎所有的對象實例都在這里分配內存. 這一點在Java虛擬機規范中描述的是: 所有的對象實例以及數組都要在堆上分配, 但是隨着JIT編譯器的發展與逃逸分析技術的逐漸成熟, 棧上分配, 標量替換優化技術將會導致一些微妙的變化發生, 所有的對象都分配在堆上也逐漸變得不是那么"絕對"了.
2) Java 堆是垃圾收集器管理的主要區域, 因此很多時候也被稱做"GC堆"(Garbage Collected Heap), 如果從內存回收的角度看, 由於現在收集器基本都是采用的分代收集算法, 所以Java堆中還可以細分為: 新生代和老年代; 在細致一點的有Eden空間, From Survivor空間, To Survivor空間等. 如果從內存分配的角度看, 線程共享的Java對中可能划分出多個線程私有的分配緩沖區(Thread Local Allocation Buffer, TLAB). 不過, 無論如何划分, 都與存放內容無關, 無論哪個區域, 存儲的都仍然是對象實例, 進一步划分的目的是為了更好的回收內存, 或者更快的分配內存.
3) 根據Java虛擬機規范的規定, Java堆上可以處於物理上不連續的內存空間中, 只要邏輯上是連續的即可, 就像我們的磁盤空間一樣. 在實現時, 既可以實現成固定大小的, 也可以是可拓展的, 不過當前主流的虛擬機都是按照可拓展來實現的( 通過-Xms 初始化堆, -Xmx 最大堆空間), 如果在堆中沒有內存完成實例分配, 並且堆也無法在拓展時, 將會拋出OutOfMemoryError異常.
5. 方法區
1) 方法區(Method Area) 與Java堆一樣, 是各個線程共享的內存區域, 它用於存儲已被虛擬機加載的類信息, 常量, 靜態變量, 即時編譯器編譯后的代碼等數據. 雖然Java虛擬機規范把方法區描述為堆的一個邏輯部分, 但是它卻有一個別名叫做Non-Heap非堆, 目的應該是與Java Heap 區分開來.
6.運行時常量池
1) 運行時常量池(Runtime Constant Pool) 是方法區的一部分. Class文件中除了有類的版本, 字段,方法, 接口等描述信息外, 還有一項信息是常量池(Constant Pool Table), 用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用, 這部分內容將在類加載后存放到方法區的運行時常量池中.
2) 運行時常量池相對於Class文件常量池的另外一個重要特征是具備動態性, Java語言並不要求常量一定只能在編譯期產生, 也就是並非預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池, 運行期間也可能將新的常量放入翅中, 這種特性被開發人員利用的比較多的便是String類的intern() 方法.
7. 直接內存
1) 直接內存(Direct Memory) 並不是虛擬機運行時數據區的一部分, 也不是Java虛擬機規范中定義的內存區域, 但是這部分內存也被頻繁地使用, 而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現. 顯然, 本機直接內存的分配不會受到Java堆大小的限制, 但是, 既然是內存, 則肯定還是會受到本機總內存的大小及處理器尋址空間的限制. 服務器管理員配置虛擬機參數時, 一般會根據實際內存-Xmx等參數信息, 但經常會忽略到直接內存, 使得各個內存區域的總和大於物理內存限制(包括物理上的和操作系統級的限制), 從而導致動態擴展時出現OutOfMemoryError異常.