Java 内存运行时数据区域划分(Java SE 1.7)

根据《Java 虚拟机规范》的规定,Java 虚拟机所管理的内存一共分为Method Area(方法区)、VM Stack(虚拟机栈)、Native Method Stack(本地方法栈)、Heap(堆)、Program Counter Register(程序计数器)五个区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的随着虚拟机进程启动而存在,有的区域则依赖于用户线程的启动和结束而建立和销毁。

JVM Memory Model

Program Counter Register

程序计数器可以看成为当前线程所执行的字节码的行号指示器,使用一块较小的空间记录正在执行的虚拟机字节码的指令地址。字节码解释器工作时,通过改变线程计数器的值来选取下一条需要执行的指令。包括分支、循环、跳转、异常福利、线程恢复等功能都是依赖它完成。为此,每一个程序计数器都是由线程私有,独立存储,互不影响。

VM Stack

VM Stack 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。每个方法的从调用至执行完成的过程,对应着一个栈帧在 VM stack 中入栈和出站的过程。


VM Stack

其中局部变量表中存放着编译可知的各种基本类型(bolean、byte、char、short、int、long、double、float)、对象应用类型(不是对象本身)和 returnAddress 类型(指向一条字节码指令的地址)。局部变量表所需内存的大小在编译期间根据数据类型完成的分配,所以大小是确定的,运行期间不会改变。其中 long 和 double 类型的数据会占用两个局部变量类型空间(Slot),其余的数据类型只会占用一个。

在 JVM 规范中,如果线程请求的栈大于了 JVM 所允许的深度,则会抛出 StackOverflowError ; 如果 VM Stack 可以动态扩展,当扩展时无法申请到足够的内存,则会抛出 OutOfMemoryError。

不难看出 VM Stack 也是属于线程私有,他的生命周期和线程相同。

Native Method Stack

Native Method Stack 与 VM Stack 的作用非常的相似,他们的区别在于: VM Stack 服务的是虚拟机执行的 Java 方法,而 Native Method Stack 服务的对象是 Native 防范。与 VM Stack 一样,也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常

而 JVM 规范并没有限制Native Method Stack 中使用的语言、使用方式以及使用的数据结构,由 JVM 自由实现。介于此,在 Sun 的 Hotspot 实现中已经将 Native Method Stack 和 VM Stack 合二为一。

Heap

Heap 是 JVM 管理的内存中最大的一块,用于存放对象实例,几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存,同时也是被所有线程所共享的,它的生命周期和 JVM 一致。

GC 管理也就是管理这部分区域。由于现在Garbage Collected 采用都是分代回收算法,因此从内存回收的角度来讲,分为新生代和老年代。在细致一点,分为 Eden 空间、From Survivor 空间、 To Survivor 空间。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),即TLAB。不管怎么划分,其实都是为了更好的回收、分配内存。

Java Heap 所使用的内存在物理是不需要连续的,只要逻辑上是连续的即可。Java Heap 的容量可以是固定大小,也可以随着需求动态扩展(-Xms 和- Xmx),并在不需要过多空间时自动收缩。如果堆中没有内存完成实例分配并且堆也无法扩展,就会抛OutOfMemoryError。

Method Area

方法区与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,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。

一般来说, 无论是访问对象的属性, 亦或调用对象的方法等,其实操纵的是类的实例对象。 于是这里便会引出这样的一个问题,JVM 是如何知道如何创建对象的?我们都了解,对象的创建依赖对象所属类的类信息,那么这些类的信息是怎么存储的呢?其实,Method Area 就是存储类信息的区域。再者,我们的类信息是怎么存储到Method Aread的?这是另外一个领域的事情了--类的加载机制,类加载机制将会 class 文件中的信息,并将这些信息存放到 Method Area。Java虚拟机规范规定,当方法区无法满足内存分配需求时,讲抛出OutOfMemoryError异常。

这里需要特别指明一下运行时常量池,它是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外,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存放到方法区的运行时常量池中。

Java虚拟机对Class文件的每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格的规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求,这样才会被虚拟机认可、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。不过,一般来说,除了保存Class文件中描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引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征是具备动态性,Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生,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,这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分,自然会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OutOfMemoryError异常。

Direct Memory(这部分不是虚拟机运行时数据区的一部分)

直接内存(Direct Memory)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,但是这部分内存也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现(不过这里抛出内存溢出多半都是因为系统总内存不够)。

JDK1.4加的NIO中,ByteBuffer有个方法是allocateDirect(int capacity) ,这是一种基于通道(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堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能,因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。(加入这片内存的目的就是提高性能)

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,则肯定还是会受到本机总内存(包括RAM及SWAP区或者分页文件)的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时,一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息,但经常会忽略掉直接内存,使得各个内存区域的总和大于物理内存限制(包括物理上的和操作系统级的限制),从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

Thread Memory Model

综上所述,线程内存模型如下:

线程内存模型

推荐阅读更多精彩内容