[深入理解Java虚拟机]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区域:

五大内存区域

程序计数器

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

Java虚拟机栈

  Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的,它的生命周期与线程相同。
  每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。每个方法从被调用到执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
  局部变量表存放了编译器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)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)
  局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,因为这个方法所需的局部变量空间是完全确定的,所以在方法运行期间不会改变局部变量表的大小
  在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,将抛出StackOverflowError异常;如果虚拟机栈可以动态扩展(大部分的Java虚拟机都可动态扩展),如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

  本地方法栈(Native Method Stack)与虚拟机栈作用相似,只不过虚拟机栈为执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。(在有些虚拟机中直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一)

Java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。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。(随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,导致对象不一定全都分配在堆上)
  Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称作“GC堆”(Garbage Collected Heap)。由于现在收集器基本都采用分代收集算法,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 Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看,线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)
  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,就像磁盘空间一样。具体到虚拟机中,可以实现称固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前大部分虚拟机都是可扩展的(通过-Xmx和-Xms控制),如果再堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出(OutOfMemoryError)异常

方法区

  方法区(Method Area)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。
  除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外,还可以选择不实现垃圾收集。相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入了方法区就永久存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。但是这个区域的垃圾回收行为执行的条件很苛刻。
  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

  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(Constant Pool Table),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产生,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。如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

总结

  1. 虚拟机栈:
    1. 用于存放局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息;
    2. 线程私有;
    3. 局部变量表不会动态扩展;
    4. 当请求栈深度超过虚拟机栈深度,会抛出StackOverflowError异常;
    5. 当请求不到足够的内存时,会抛出OutOfMemory异常;
  2. 本地方法栈:
    1. 与虚拟机栈相似,唯一不同就是虚拟机栈为Java方法(即字节码)服务,本地方法栈为Native方法服务;
  3. 程序计数器:
    1. 线程私有;
    2. 当前线程所执行的字节码的行号指示器;
  4. Java 堆:
    1. 所有线程共享;
    2. 保存几乎所有对象实例;
    3. 垃圾回收管理的主要区域,也称为“GC堆”;
    4. 采用分代收集算法,分为:新生代、老年代;更细致分为:Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间;
    5. 可以处于物理上不连续的空间,只要逻辑上连续相同即可,类似于磁盘空间;
    6. 当内存不足时会抛出OutOfMemory异常;
  5. 方法区:
    1. 所有线程共享;
    2. 存放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等;
    3. 可以执行垃圾回收,但是执行条件很苛刻;
    4. 运行时常量池:用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用(也可能并非编译期生成的常量,如String类的intern方法)
    5. 申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常

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