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深入分析Java规范中JVM的内存布局模型

Java高级 tiantian 1960次浏览 0个评论 扫描二维码

Java是一门结合了编译执行与解释执行的语言。首先,Java编译器把Java源码编译成Java字节码(byte-code),然后,Java字节码在Java虚拟机(JVM)上解释执行。实际上,Java虚拟机在执行Java代码的过程中,会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时机,有些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。

JVM内存模型

Java中的很多疑难杂症,在明白了JVM的内存布局模型后,都变得简单、清晰起来。我们看一下Java虚拟机运行时数据去:

深入分析Java规范中JVM的内存布局模型

注意仔细观察,我们使用颜色标识出每个内存区域是线程私有空间,还是被所有线程所共享。实际上,上图并没有包含JVM中内存布局的所有重要细节,比如缺少直接内存,本文将详细讲解JVM中的所有七个重要数据区。

程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器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。在虚拟机的概念模型里,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于这个计数器来完成。

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,一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能够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(Java Virtual Machine Stacks)

Java虚拟机栈是线程私有的,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(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。每一个方法从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入栈到出栈的过程。

栈帧中的局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean,byte,char,short,int,float,long,double)、对象引用(reference,不是对象本身)类型 和 returnAddress类型(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完成计算,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,该区域定义了两种异常状况:StackOverflowError异常 和 OutOfMemoryError异常。

本地方法栈(Native Method Stack)

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,区别仅在于本地方法栈为本地方法服务。在 Sun HotSpot 虚拟机中,直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出两种异常状况:StackOverflowError异常 和 OutOfMemoryError异常。

Java堆(Java Heap)

对于大多数应用来说,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。此内存区域的唯一作用就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都会在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,从内存回收的角度来看,现在的收集器基本都采用分代收集算法,所以Java堆细分成了:新生代和老年代。关于Java堆更多的分配和回收细节,建议查看垃圾回收机制的文章。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,该区域可能抛出 OutOfMemeoryError异常。

方法区(Method Area)

方法区(Method Area)是所有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。

Java虚拟机对于方法区的限制非常宽松,甚至可以不实现垃圾收集。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。当方法区无法满足内存分配需求时,可以抛出 OutOfMemoryError异常。

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(Constant Pool Table),用于存放编译期间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。JVM中的运行时常量池,除了保存Class文件中的常量池信息之外,还会把翻译出来的直接引用也存储起来。另外,运行时常量池还具备动态性,运行期间也可能将新的常量放入池中,可以参看本站讲解 String 类的 intern()方法的文章。

直接内存(Direct Memory)

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是该区域被频繁使用,而且可能导致 OutOfMemoryError异常。

在JDK 1.4中新加入了 NIO(New Input/Output) 类,引入了一种基于通道(Channel) 与 缓冲区(Buffer) 的I/O方式,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。显然,直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制,但是,动态扩展超过内存限制时,一样会出现 OutOfMemoryError异常。


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