虚拟机内存分配总结

255 阅读6分钟

虚拟机运行时的内内存分布: JVM 中的内存可以划分为若干个不同的数据区域,主要分为:程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区。

1.程序计算器

Java 程序是多线程的,CPU 可以在多个线程中分配执行时间片段。当某一个线程被 CPU 挂起时,需要记录代码已经执行到的位置,方便 CPU 重新执行此线程时,知道从哪行指令开始执行。这就是程序计数器的作用。

“程序计数器”是虚拟机中一块较小的内存空间,主要用于记录当前线程执行的位置。

关于程序计数器还有几点需要格外注意:

1.在 Java 虚拟机规范中,对程序计数器这一区域没有规定任何 OutOfMemoryError 情况(或许是感觉没有必要吧)。
2.线程私有的,每条线程内部都有一个私有程序计数器。它的生命周期随着线程的创建而创建,随着线程的结束而死亡。
3.当一个线程正在执行一个 Java 方法的时候,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)。

2.虚拟机栈

虚拟机栈也是线程私有的,与线程的生命周期同步。在 Java 虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常状况:

1.StackOverflowError:当线程请求栈深度超出虚拟机栈所允许的深度时抛出。
2.OutOfMemoryError:当 Java 虚拟机动态扩展到无法申请足够内存时抛出。

在我们学习 Java 虚拟机的的过程当中,经常会看到一句话:

JVM 是基于栈的解释器执行的,DVM 是基于寄存器解释器执行的。

上面这句话里的“基于栈”指的就是虚拟机栈。虚拟机栈的初衷是用来描述 Java 方法执行的内存模型,每个方法被执行的时候,JVM 都会在虚拟机栈中创建一个栈帧 一个线程包含多个栈帧,而每个栈帧内部包含局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址等

栈帧

栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构,每一个线程在执行某个方法时,都会为这个方法创建一个栈帧

(1)局部变量表

局部变量表是变量值的存储空间,我们调用方法时传递的参数,以及在方法内部创建的局部变量都保存在局部变量表中。在 Java 编译成 class 文件的时候,就会在方法的 Code 属性表中的 max_locals 数据项中,确定该方法需要分配的最大局部变量表的容量

(2)操作数栈

操作数栈(Operand Stack)也常称为操作栈,它是一个后入先出栈(LIFO)。 同局部变量表一样,操作数栈的最大深度也在编译的时候写入方法的Code属性表中的max_stacks数据项中。栈中的元素可以是任意Java数据类型,包括long和double。

当一个方法刚刚开始执行的时候,这个方法的操作数栈是空的。在方法执行的过程中,会有各种字节码指令被压入和弹出操作数栈(比如:iadd指令就是将操作数栈中栈顶的两个元素弹出,执行加法运算,并将结果重新压回到操作数栈中)。

(3)动态链接

动态链接的主要目的是为了支持方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)。 在一个 class 文件中,一个方法要调用其他方法,需要将这些方法的符号引用转化为其所在内存地址中的直接引用,而符号引用存在于方法区中。

(4)返回地址

当一个方法开始执行后,只有两种方式可以退出这个方法: 正常退出:指方法中的代码正常完成,或者遇到任意一个方法返回的字节码指令(如return)并退出,没有抛出任何异常。

异常退出:指方法执行过程中遇到异常,并且这个异常在方法体内部没有得到处理,导致方法退出。

无论当前方法采用何种方式退出,在方法退出后都需要返回到方法被调用的位置,程序才能继续执行。而虚拟机栈中的“返回地址”就是用来帮助当前方法恢复它的上层方法执行状态。

3.本地方法栈

本地方法栈和上面介绍的虚拟栈基本相同,只不过是针对本地(native)方法。在开发中如果涉及 JNI 可能接触本地方法栈多一些,在有些虚拟机的实现中已经将两个合二为一了(比如HotSpot)。

4.堆

Java 堆(Heap)是 JVM 所管理的内存中最大的一块,该区域唯一目的就是存放对象实例,几乎所有对象的实例都在堆里面分配,因此它也是 Java 垃圾收集器(GC)管理的主要区域,有时候也叫作“GC 堆”。同时它也是所有线程共享的内存区域,因此被分配在此区域的对象如果被多个线程访问的话,需要考虑线程安全问题。

按照对象存储时间的不同,堆中的内存可以划分为新生代(Young)和老年代(Old),其中新生代又被划分为 Eden 和 Survivor 区。

5.方法区

方法区(Method Area)也是 JVM 规范里规定的一块运行时数据区。方法区主要是存储已经被 JVM 加载的类信息(版本、字段、方法、接口)、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码和数据。该区域同堆一样,也是被各个线程共享的内存区域。

总结:

上面介绍的这 5 块内容都是在 Java 虚拟机规范中定义的规则,这些规则只是描述了各个区域是负责做什么事情、存储什么样的数据、如何处理异常、是否允许线程间共享等。千万不要将它们理解为虚拟机的“具体实现”,虚拟机的具体实现有很多,比如 Sun 公司的 HotSpot、JRocket、IBM J9、以及我们非常熟悉的 Android Dalvik 和 ART 等。这些具体实现在符合上面 5 种运行时数据区的前提下,又各自有不同的实现方式。

最后我们借助一张图来概括一下本课时所介绍的内容:

总结来说,JVM 的运行时内存结构中一共有两个“栈”和一个“堆”,分别是:Java 虚拟机栈和本地方法栈,以及“GC堆”和方法区。 JVM 内存中只有堆和方法区是线程共享的数据区域,其它区域都是线程私有的。并且程序计数器是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

本文是通过Android 工程师进阶的总结记录学习,原文链接