再看JVM(一) —— 内存区域

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运行时数据区域

  • 线程私有区域

    • 程序计数器
    • Java 虚拟机栈
    • 本地方法栈
  • 线程共享区域

  • Java 堆

  • 方法区

  • 运行时常量池(属于方法区的一部分)

如图 -> 

程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器是一块较小的内存空间,它可以看作是**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**,它是程序控制流的指示器,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。 

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此,为了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,各条线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。 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;如果正在执行的是本地(Native)方法,这个计数器值则应为空(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。

Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)

Java虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型:每个方法被执行的时候,Java虚拟机都会同步创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。而“栈”通常就是指这里讲的虚拟机栈,或者更多的情况下只是指虚拟机栈中局部变量表部分。

在《Java虚拟机规范》中,对这个内存区域规定了两类异常状况:

1.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;

 /**
 * 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度
 * VM Args:-Xss128k
 */
public class StackOverflowErrorTest {
    static class JavaVMSOF {
        private int stackLength = 1;

        public void stackLeak() {
            stackLength++;
            stackLeak();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMSOF javaVMSOF = new JavaVMSOF();
        try {
            javaVMSOF.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("stack length = " + javaVMSOF.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

------------------------------输出结果---------------------------------
stack length:2402
Exception in thread "main" java.lang.StackOvSerflowError
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:20)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:21)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:21)
……后续异常堆栈信息省略

2.如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展 ,当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常

所谓局部变量表,其中存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference类型,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽(Slot)来表示,其中64位长度的long和 double类型的数据会占用两个变量槽,其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,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。请读者注意,这里说的“大小”是指变量槽的数量, 虚拟机真正使用多大的内存空间(譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特,或者更多)来实现一 个变量槽,这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。

本地方法栈(Native Method Stacks)

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地(Native) 方法服务。与虚拟机栈一样,本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆(Java Heap)

Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,Java 世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存

在《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是:“所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配”,而这里写的“几乎”是指从实现角度来看,随着Java语言的发展,现在已经能看到些许迹象表明日后可能出现值类型的支持,即使只考虑现在,由于即时编译技术的进步,尤其是逃逸分析技术的日渐强大,栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生,所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。 

Java堆也被称作“GC堆”(Garbage Collected Heap)。从回收内存的角度看,由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的,所以Java堆中经常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“Eden空间”“From Survivor空间”“To Survivor空间”等。

如果从分配内存的角度看,所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区 (Thread Local Allocation Buffer,TLAB),以提升对象分配时的效率。不过无论从什么角度,无论如何划分,都不会改变Java堆中存储内容的共性,无论是哪个区域,存储的都只能是对象的实例,将Java堆细分的目的只是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。

Java堆既可以被实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过参数-Xmx和-Xms设定)。

如果在Java堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

/**
 * Java堆内存溢出异常测试
 * VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject {
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}
--------------------------输出结果-----------------------------------------------
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid3404.hprof ...
Heap dump file created [22045981 bytes in 0.663 secs]

方法区(Method Area)

方法区与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫作“非堆”(Non-Heap),目的是与Java堆区分开来。

到了JDK 7的HotSpot,已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出,而到了 JDK 8,终于完全废弃了永久代的概念,改用在本地内存中实现的元空间(Meta- space)来代替,把JDK 7中永久代还剩余的内容(主要是类型信息)全部移到元空间中。

如果方法区无法满足新的内存分配需求时,将抛出 OutOfMemoryError异常。

运行时常量池(Runtime Constant Pool)

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表(Constant Pool Table)用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用,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。

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,也就是说,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,运行期间也可以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。

自JDK 7起,原本存放在永久代的字符串常量池被移至Java堆之中。当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常与Java堆异常信息一致。