深入理解 Java 虚拟机【1】JVM 内存模型

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作者:杨立滨

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JVM 内存模型

Java 虚拟机的内存空间分为 5 个部分:

  • 程序计数器
  • Java 虚拟机栈
  • 本地方法栈
  • 方法区
  • Java 虚拟机栈

    深入理解 Java 虚拟机【1】JVM 内存模型

    JDK 1.8 同 JDK 1.7 比,最大的差别就是:元数据区取代了永久代。元空间的本质和永久代类似,都是对 JVM 规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于:元数据空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存。

    程序计数器(PC 寄存器)

    程序计数器的定义

    程序计数器是一块较小的内存空间,是当前线程正在执行的那条字节码指令的地址。若当前线程正在执行的是一个本地方法,那么此时程序计数器为 Undefined

    程序计数器的作用

  • 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令,从而实现代码的流程控制。
  • 在多线程情况下,程序计数器记录的是当前线程执行的位置,从而当线程切换回来时,就知道上次线程执行到哪了。
  • 在多线程情况下,程序计数器记录的是当前线程执行的位置,从而当线程切换回来时,就知道上次线程执行到哪了。

    程序计数器的特点

  • 是一块较小的内存空间。
  • 线程私有,每条线程都有自己的程序计数器。
  • 生命周期:随着线程的创建而创建,随着线程的结束而销毁。
  • 是唯一一个不会出现 `OutOfMemoryError`的内存区域。
  • 线程私有,每条线程都有自己的程序计数器。

    是唯一一个不会出现  OutOfMemoryError的内存区域。

    Java 虚拟机栈(Java 栈)

    Java 虚拟机栈的定义

    Java 虚拟机栈是描述 Java 方法运行过程的内存模型。

    Java 虚拟机栈会为每一个即将运行的 Java 方法创建一块叫做“栈帧”的区域,用于存放该方法运行过程中的一些信息,如:

  • 局部变量表
  • 操作数栈
  • 动态链接
  • 方法出口信息
  • ......
  • 操作数栈

    方法出口信息

    深入理解 Java 虚拟机【1】JVM 内存模型

    压栈出栈过程

    当方法运行过程中需要创建局部变量时,就将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中。

    Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈,也就是当前正在执行的方法,PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用,当在这个栈帧中调用另一个方法,与之对应的栈帧又会被创建,新创建的栈帧压入栈顶,变为当前的活动栈帧。

    方法结束后,当前栈帧被移出,栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值,那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

    由于Java 虚拟机栈是与线程对应的,数据不是线程共享的,因此不用关心数据一致性问题,也不会存在同步锁的问题。

    Java 虚拟机栈的特点

  • 局部变量表随着栈帧的创建而创建,它的大小在编译时确定,创建时只需分配事先规定的大小即可。在方法运行过程中,局部变量表的大小不会发生改变。
  • Java 虚拟机栈会出现两种异常:StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
  • StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的大小不允许动态扩展,那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度时,抛出 StackOverFlowError 异常。
  • OutOfMemoryError 若允许动态扩展,那么当线程请求栈时内存用完了,无法再动态扩展时,抛出 OutOfMemoryError 异常。
  • Java 虚拟机栈也是线程私有,随着线程创建而创建,随着线程的结束而销毁。
  • Java 虚拟机栈会出现两种异常:StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

    OutOfMemoryError 若允许动态扩展,那么当线程请求栈时内存用完了,无法再动态扩展时,抛出 OutOfMemoryError 异常。

    出现 StackOverFlowError 时,内存空间可能还有很多。

    本地方法栈(C 栈)

    本地方法栈的定义

    本地方法栈是为 JVM 运行 Native 方法准备的空间,由于很多 Native 方法都是用 C 语言实现的,所以它通常又叫 C 栈。它与 Java 虚拟机栈实现的功能类似,只不过本地方法栈是描述本地方法运行过程的内存模型。

    栈帧变化过程

    本地方法被执行时,在本地方法栈也会创建一块栈帧,用于存放该方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。

    方法执行结束后,相应的栈帧也会出栈,并释放内存空间。也会抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 异常。

    如果 Java 虚拟机本身不支持 Native 方法,或是本身不依赖于传统栈,那么可以不提供本地方法栈。如果支持本地方法栈,那么这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。

    堆的定义

    堆是用来存放对象的内存空间,几乎所有的对象都存储在堆中。

    堆的特点

  • 线程共享,整个 Java 虚拟机只有一个堆,所有的线程都访问同一个堆。而程序计数器、Java 虚拟机栈、本地方法栈都是一个线程对应一个。
  • 在虚拟机启动时创建。
  • 是垃圾回收的主要场所。
  • 进一步可分为:新生代(Eden区 From Survior To Survivor)、老年代。
  • 在虚拟机启动时创建。

    进一步可分为:新生代(Eden区 From Survior To Survivor)、老年代。

    不同的区域存放不同生命周期的对象,这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法,更具有针对性。

    堆的大小既可以固定也可以扩展,但对于主流的虚拟机,堆的大小是可扩展的,因此当线程请求分配内存,但堆已满,且内存已无法再扩展时,就抛出 OutOfMemoryError 异常。

    Java 堆所使用的内存不需要保证是连续的。而由于堆是被所有线程共享的,所以对它的访问需要注意同步问题,方法和对应的属性都需要保证一致性。

    方法区

    方法区的定义

    Java 虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分。方法区存放以下信息:

  • 已经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
  • 常量

    即时编译器编译后的代码

    方法区的特点

  • 线程共享。 方法区是堆的一个逻辑部分,因此和堆一样,都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区。
  • 永久代。 方法区中的信息一般需要长期存在,而且它又是堆的逻辑分区,因此用堆的划分方法,把方法区称为“永久代”。
  • 内存回收效率低。 方法区中的信息一般需要长期存在,回收一遍之后可能只有少量信息无效。主要回收目标是:对常量池的回收;对类型的卸载。
  • Java 虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。 和堆一样,允许固定大小,也允许动态扩展,还允许不实现垃圾回收。
  • 永久代。 方法区中的信息一般需要长期存在,而且它又是堆的逻辑分区,因此用堆的划分方法,把方法区称为“永久代”。

    Java 虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。 和堆一样,允许固定大小,也允许动态扩展,还允许不实现垃圾回收。

    运行时常量池

    方法区中存放:类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。常量就存放在运行时常量池中。

    当类被 Java 虚拟机加载后, .class 文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间,可以向常量池中添加新的常量。如 String 类的 intern() 方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。

    直接内存(堆外内存)

    直接内存是除 Java 虚拟机之外的内存,但也可能被 Java 使用。

    操作直接内存

    在 NIO 中引入了一种基于通道和缓冲的 IO 方式。它可以通过调用本地方法直接分配 Java 虚拟机之外的内存,然后通过一个存储在堆中的 DirectByteBuffer对象直接操作该内存,而无须先将外部内存中的数据复制到堆中再进行操作,从而提高了数据操作的效率。

    直接内存的大小不受 Java 虚拟机控制,但既然是内存,当内存不足时就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

    直接内存与堆内存比较

  • 直接内存申请空间耗费更高的性能
  • 直接内存读取 IO 的性能要优于普通的堆内存。
  • 直接内存作用链: 本地 IO - 直接内存 - 本地 IO
  • 堆内存作用链:本地 IO - 直接内存 - 非直接内存 - 直接内存 - 本地 IO
  • 直接内存读取 IO 的性能要优于普通的堆内存。

    堆内存作用链:本地 IO - 直接内存 - 非直接内存 - 直接内存 - 本地 IO

    服务器管理员在配置虚拟机参数时,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,从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError异常。

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    始发于微信公众号: Java知音

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