JVM解析——内存结构

本系列主要记录笔者在学习 [深入理解Java虚拟机] 一书时的理解
我们都知道在Java中,我们并不需要过多的在意内存的管理,这一切都交给了虚拟机自动管理,我们并不需要操心何时需要去释放一个对象的内存。
当然,如果出现了内存溢出或泄漏,我们就必须去了解一下Java虚拟机的内存管理机制以便于我们解决问题
[笔者仍为Android初学者。如有解释错误的地方,欢迎评论区指正探讨]

本篇为该系列第一篇,主要讲解JAVA的内存结构

心酸,被考试耽误了一段时间,好久沒有写东西了


运行时数据区域

概述

在了解虚拟机内存管理机制之前,我们应该先了解虚拟机的内存如何分配,也就是其内存结构。

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,以及创建和销毁的时间。
先看一下图:

Java内存结构.png

方法区

正如图中标记的一样,方法区是所有线程共享的一块内存区域,他主要用于存储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虚拟机规范对方法区的限制非常宽松,甚至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。

根据Java虚拟机规范的规定,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

运行时常量池是方法区的一部分,Class文件(后面的篇章会讲到)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,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。

Java虚拟机对Class文件每一部分的格式都有严格规定,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认可、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,不同的提供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。

和方法区一样,堆也是线程共享的一块区域,堆是Java虚拟机中最大的一块,在虚拟机启动时创建。

堆的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有对象实例都在这里分配。
(为什么说几乎?这一点在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编译器的发展与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。 )

堆作为Java虚拟机中最大的一块,自然也就成为了垃圾收集器主要的管理区域

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。

不管如何划分,目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。

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可扩展的。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,将会抛出OutOfMemoryError异常

虚拟机栈

不同于方法区与堆,虚拟机栈是线程隔离(线程私有)的,也就是说,每一个线程都拥有自己的虚拟机栈,他的生命周期与线程绑定
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。

一个方法从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期的八大基本数据类型,对象引用(指针或句柄)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。

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(当前大部分的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

本地方法栈的作用和虚拟机栈很相似,他们的区别在于虚拟机栈执行Java方法,本地方法栈执行Native方法。

与虚拟机栈一样,本地方法
栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间,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。

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

直接内存

直接内存并不是java虚拟机运行时数据区的一部分,也不是Java虚拟机规定范围中的内存,但是这部分内存也经常被调用,也容易引发OutOfMemoryError,

JDK 1.4开始,Java引入了NIO,一种基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)的IO处理方式。它直接使用Native层分配Java堆外内存,然后通过Java堆中一个DirectByteBuffer对象作为这块内存区域的引用来进行操作,这样避免了原先IO方式的Java堆和Native堆来回复制数据的问题,提高了性能。

小结

  1. java虚拟机的运行时数据区主要分为:方法区,堆,虚拟机栈,本地方法栈,程序计数器。
  2. 方法区和堆为所有线程共有的区域,虚拟机栈,本地方法栈和程序计数器是线程私有的
  3. 方法区和堆当内存不足时会抛出OutofMemoryError,虚拟机栈和本地方法栈当请求的栈内存不足则抛出StackOverflowError,但栈想拓展而无内存拓展时则抛出OutofMemoryError。程序计数器没有规定任何OutofMemoryError的情况。

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