莫那·鲁道

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JVM-运行时数据区

引自《深入理解Java 虚拟机》

前言

JVM 运行时数据分为几大部分

  1. 程序计数器
  2. Java 虚拟机栈
  3. 本地方法栈
  4. Java 堆
  5. 方法区(永久代)
  6. 运行时常量池
  7. 直接内存

JVM 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数据区域,这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁时间,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。

根据Java 虚拟机规范,Java 虚拟机管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域:

图片来自网络

可以看到,只有方法区和堆是线程共享的,而两栈一器都是线程独享的,也就是说,并发时这些数据都是安全的。

下面一个一个看看这些区域的解释。

1. 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。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这个计数据来完成。

由于 Java 虚拟机的多线程时通过线程轮流切换并分配CPU时间片的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器都智慧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,这个计数器记录的时正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的时 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 OOM 情况的区域。

2. Java 虚拟机栈

与程序计数器一样,Java 虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期和线程相同。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桢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,就对应一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

人们经常把简单的虚拟机分为堆和栈,而这个栈就是现在讲的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

局部变量表存放了编译器何止的各种基本类型,对象引用(对象起始地址的引用指针)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)。

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一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在栈中分配多大的局部变量时完全确定的。在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常情况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出 StackOverflow 异常;如果虚拟机可以动态扩展(当前大部分的 Java 虚拟机都可以动态扩展,只不过 Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈),如果扩展时无法声请到足够的内存,就会抛出OOM异常。

3. 本地方法栈(HotSpot 已被融合进虚拟机栈)

本地方法栈(Native Method Stack) 于虚拟机所返回的作用时非常相似的,他们之间的区别是不过虚拟机栈为虚拟机执行Java 方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。而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并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(HotSpot)直接就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 StackOverflow 异常和 OOM 异常。

4. 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堆是被所有洗车共享的一块内存区域,再虚拟机启动时创建。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再这里分配内存。这一点Java 虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着 JIT 编译器的发展和逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配,标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称为 “GC 堆(Garbage Collected Heap)”,从内存回收的角度来看,由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所有Java 堆中还可以细分成: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 Lcoal Allocation Buffer, TLAB)。

不过无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的仍然是对象实例,进一步划分的目的是为了更好的回收内存,或者更快的分配内存。

根据虚拟机的规定,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。在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过 -Xmx 和 Xms 控制)。如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法扩展时,将会抛出 OOM 异常。

5. 方法区

方法区(Method Area )与 Java 堆一样,时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,即使编译器编译后的代码等数据。虽然Java 虚拟机规范把方法区描述堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做(Non-Heap 非堆),目的应该是与Java 堆区分开来。

对于习惯在 HotSpot 虚拟机上开发,部署程序的开发者来说,很多人都更愿意把方法区称为 “永久代(Permanent Generation)”,本质上两者并不等价,仅仅是因为 HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代设计扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区而已,这样 HotSpot 的垃圾收集器可以像管理Java 堆衣阿华那个管理这部分内存,能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。

对于其他虚拟机并不存在永久代这个概念。原则上,如何实现Java 虚拟机属于实现细节,不受虚拟机规范约束,但使用永久代来实现方法区,现在看来并不是好主意,因为这样更容易遇到内存溢出(永久代有 -XX:MaxPermSize 的上限)。

因此,对于 HotSpot 虚拟机,已经放弃了永久代并逐步改为 Native Memory 来实现方法区的规划了,在目前的版本中,已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。

Java 虚拟机规范对方法区的限制非常宽松,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,还可以选择不实习那垃圾回收。相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少见的,但并非数据进入了方法区就如同永久代的名字一样“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,一般来说,这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻,但是这部分的区域的回收确实是由必要的。Sun 有几个Bug 就是应为HotSpot 虚拟机对此区域未完全回收导致内存泄漏。

6. 运行时常量池

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,这部分内容在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

JVM 对 Class 文件每一个部分都有严格规定(包括常量池),每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机任何,装载和执行,但对于运行时常量池,Java 虚拟机规范没有做任何细节的要求,不同的厂商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过,一般来说,除了保存 Class 文件中描述的符号引用之外,还会把翻译出来的直接应用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另外一个重要特种是具备动态性,Java 语言并不要求常量一定只有编译期才能产生,也就是并非预制入 Class 文件中常量池的内容才能既然怒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,这种特性被开发人员利用比较多的便是 String 类的 intern 方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出 OOM 异常。

7. 直接内存

直接内存(Direct Memory) 并不是JVM 运行时数据区的一部分,也不是 JVM 规范中定义的内存区域,但是这部分内存也被频繁的使用,而且也可能导致 OOM。

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO 类,引用了一种基于通道(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。这样能在一些场合中显著提高性能,因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

显然,本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制,但是,既然是内存,肯定还是会受到本机总内存(包括 RAM以及 SWAP 区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机总参数时,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(包括物理的和操作系统级别的限制),从而导致动态扩展时出现 OOM 异常。