深入理解JVM(1) : Java内存区域划分

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”,墙外面的人想进去,墙里面的人却想出来。


Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。


java虚拟机运行时数据区

一、程序计数器


  1. 程序计数器可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在JVM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。

  2. 由于JVM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,为了在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,独立存储,互不影响。所以,程序计数器是线程私有的内存区域。

  3. 如果线程执行的是一个Java方法,计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;
    如果线程执行的是一个Native方法,计数器的值为空。

  4. Java虚拟机规范中唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

二、Java虚拟机栈


  1. Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法执行的同时会创建一个栈帧,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。每个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

    栈帧

  2. Java虚拟机栈是线程私有的,它的生命周期与线程相同。

  3. 程序员主要关注的stack栈内存,就是虚拟机栈中局部变量表部分。
    局部变量表存放了编译时期可知的各种基本数据类型对象引用
    局部变量表所需的内存空间在编译时期完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

  4. Java虚拟机规范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StackOverflowError 异常;
  • 如果虚拟机栈可以动态扩展,如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常;
    (当前大部分JVM都可以动态扩展,只不过JVM规范也允许固定长度的虚拟机栈)

三、本地方法栈


  1. 本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务(也就是字节码),而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。

  2. Java虚拟机规范对本地方法栈使用的语言、使用方法与数据结构并没有强制规定,因此可以由虚拟机自由实现。例如:HotSpot虚拟机直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

  3. 同虚拟机栈相同,Java虚拟机规范对这个区域也规定了两种异常情况StackOverflowErrorOutOfMemoryError异常。

四、Java堆


  1. Java堆是被所有的线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。
    Java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内存。

  2. Java堆是垃圾回收器管理的主要区域,因此也被称为"GC堆"
    从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以Java堆可以细分为:新生代、老生代;
    从内存分配的角度看,线程共享的Java堆可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB);
    不论如何划分,都与存放的内容无关,无论哪个区域,存储的仍然是对象实例。

  3. Java虚拟机规范规定,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。在实现上,既可以是固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流JVM都是按照可扩展来实现的。

  4. Java虚拟机规范规定,如果在堆上没有内存完成实例分配,并且堆上也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

  5. 内存泄露和内存溢出
    Java堆内存的OOM异常是非常常见的异常情况,重点是根据内存中的对象是否是必要的,来弄清楚到底是出现了内存泄露(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow).

  • 内存泄露:指程序中一些对象不会被GC所回收,它始终占用内存,即被分配的对象引用链可达但已无用。(可用内存减少)
  • 内存溢出:程序运行过程中无法申请到足够的内存而导致的一种错误。内存溢出通常发生于OLD段或Perm段垃圾回收后,仍然无内存空间容纳新的Java对象的情况。
    内存泄露是内存溢出的一种诱因,不是唯一因素。

五、方法区


  1. 方法区也是被所有的线程共享的一块内存区域。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。

  2. 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之外,还可以选择不实现垃圾回收。
    这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和类型的卸载,一般而言,这个区域的内存回收比较难以令人满意,尤其是类型的回收,条件相当苛刻,但是这部分区域的内存回收确实是必要的。

  3. Java虚拟机规范规定,当方法区无法满足内存分配的需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

  4. 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。
    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,这种特性被开发人员利用比较多的就是String类的intern()方法。

  5. String.intern()
    String.intern()是一个Native方法,它的作用是:如果字符串常量池中已经包含了一个等于此String对象的字符串,则返回代表池中这个字符串的String对象;否则,将此String对象包含的字符串添加到常量池中,并且返回此字符串的引用。

 public static void main(String[] args) { 
    String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
    System.out.println(str1.intern() == str1);
    
    String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
    System.out.println(str2.intern() == str2);
  }

这段代码在JDK1.6中运行,会得到两个false,而在JDK1.7中运行,会得到一个true和一个false。原因是:

  • 在JDK1.6中intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代中,返回的也是永久代中这个字符串实例的引用,而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆上,所以必然不是一个引用。
  • 在JDK1.7中intern()方法不会复制实例,只是在常量池中记录首次出现的实例引用,因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的字符串实例是同一个。
  • str2返回false是因为Java这个字符串在执行StringBuilder("ja").append("va").toString()之前已经出现过,字符串常量池中已经有它的引用了,不符合首次出现的原则,而"计算机软件"这个字符串是首次出现的。

推荐阅读:《深入理解Java虚拟机》周志明著


[2015.08.29]

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