深刻理解java虚拟机学习01 - 运行时数据区域

运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程当中会把它所管理的内存划分为若干个不一样的数据区域。这些区域有各自的用途，以及建立和销毁的时间，有的区域替换虚拟机进程的启动而根据《 Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括如下几个运行时数据区域，诸如此类，而一直存在，某些区域则是依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁。 图1所示。

图1 Java虚拟机运行时数据区

1.1程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它能够选择是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里 ，字节码解释器工做时就是经过改变这个计数器的值来挑选下一条须要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，分支，循环，转换，异常处理，线程恢复等基础功能都须要依赖这个计数器来完成。 因为Java虚拟机的多线程是经过线程轮流切换，分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个肯定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来讲是一个内核）都只会执行一条所以，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都须要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，咱们称量其中的内存区域为“线程专有”的内存。 若是线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的正在执行的虚拟机字节码指令的地址；若是正在执行的是本地（本机）方法，这个计数器值则应为空（未定义）。此内存区域是惟一一个在《 Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError状况的区域。

1.2 Java虚拟机栈

与程序计数器同样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）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：每一个方法被执行的时候， Java虚拟机都会同步建立一个栈帧 （Stack Frame）用于存储局部变量表，操做数栈，动态链接，方法出口等信息。每个方法被调用而后从新执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。 常常有人把Java内存区域笼统地划分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种划分方式直接继承自传统的C，C ++程序的内存布局结构，在Java语言里就有些粗糙了，实际的内存区域划分要比这更复杂。不过这种划分方式的流行也间接说明了程序员最关注的，与对象内存分配关系最紧密的区域是“堆”和“栈”两块。其中， “堆”在后来的笔者会专门提出，而“栈”一般就是指这里讲的虚拟机栈，或者更多的状况下只是指虚拟机栈中局部变量表部分。 局部变量表存放了编译期可知的各类Java虚拟机基本数据类型（布尔，字节，char，short，int，float，long，double），对象引用（引用类型，它并不等于于对象自己，多是一个指向对象起始地址的引用指针，也多是指向一个表明对象的句柄或其余指向对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一个字节码指令的地址）。 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，其他的数据类型只占用一个。所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法须要在栈帧中分配多大的局部变量空间是彻底肯定的，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（例如如遵循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，这是彻底由具体的虚拟机实现自行决定的事情。 在《 Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常情况：若是线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的深度，将引起StackOverflowError异常；若是Java虚拟机栈容量能够动态扩展 ，当栈扩展时没法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

1.3本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的做用是很是类似的，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。 《 Java虚拟机规范》对本地方法栈中a`方法使用的语言，使用方式与数据结构并无任何强制规定，所以具体的虚拟机能够根据须要自由实现它，甚至有的Java虚拟机（例如如热点与虚拟机栈同样，本地方法栈也会在栈深度重叠或栈扩展失败时分别引起StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

1.4 Java堆

对于Java应用程序来讲，Java堆（Java堆）是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被全部线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时建立。此内存区域的惟一目的就是存放对象实例，Java世界里“几乎”全部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：“全部的对象实例以及上面的都在堆上分配 ” ，而这里笔者写的“几乎”是指从实现角度来看，经过Java语言的发展，如今已经能看到一些许诺代表往后可能出现值类型的支持，甚至只考虑如今，因为即时编译技术的进步，尤为是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配，标量 替换优化手段已经致使一些微妙的变化悄然发生，因此说Java对象实例都分配在堆上也渐进得不是那么绝对了。 Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，所以一些资料中它也被称为“ GC堆”（Garbage Collected Heap，幸亏内部没翻译成“垃圾堆”）。从回收内存的角度看，因为现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，因此Java堆中常常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“ Eden空间”“从幸存者空间”“到幸存者空间”等名词，这些概念在本书后续章节中将会反复登场亮相，在这里笔者想先说明的是这些区域划分并部分垃圾收集器的共同特性或说设计风格而已，而不是Java虚拟机具体实现的固有内存布局，更不是《 Java虚拟机规范》里对Java堆的进一步细致划分。大量数据上常常写着替换到“ Java虚拟机的堆内存划分了新生代，老年代，永久代，Eden，幸存者……”这样的内容。在十年以前（以G1收集器的出现为分界），做为发展中国家绝对主流的HotSpot虚拟 机，它内部的垃圾收集器所有都基于“经典分代” 来设计，须要新生代，老年代收集器搭配才能发挥做用，在这种背景下，上述所说还算是不会产生太大的歧义。今天，垃圾收集器技术与十年前已不可同日而语，HotSpot里面也出现了不采用分代设计的新垃圾收集器，再按照上面的提法就有不少须要商榷的地方了。 若是从分配内存的角度看，全部线程共享的Java堆中能够划分出多个线程私有的分配堆栈（线程本地分配缓冲区，TLAB），以提高对象分配时的效率。如何划分，都不会改变Java堆中存储内容的共性，不管是哪一个区域，存储的都只能是对象的实例，将Java堆划分的目的只是为了更好地回收内存，或者替换地分配内存。在本章中，咱们仅针对内存区域的做用进行讨论，Java堆中的上述多个区域的分配，回收等细节将会是下一章的主题。 根据《 Java虚拟机规范》的规定，Java堆能够位于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像咱们用磁盘空间去存储文件同样，并不要求每一个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多个虚拟机要实现简单，存储高效的考虑，极可能会要求连续的内存空间。 Java堆既能够被实现成固定大小的，也能够是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（经过参数-Xmx和-Xms设置）。若是在Java堆中没有内存完成实例分配，而且堆也没法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

1.5方法区

方法区（Method Area）与Java堆同样，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，可是它却有一个别名叫做“非堆”（Non-Heap），目的是与Java堆区分开来。 说到方法区，必须提一下“永久代”这个概念，尤为是在JDK 8之前，许多Java程序员都习惯在Hotspot虚拟机上开发，部署程序，不少人都更愿意把方法区称呼为“本质上这两个并不是等价的，由于当时当时的热点虚拟机设计团队选择把工具的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样经过热点的垃圾收集器可以像管理Java堆同样管理这部份内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工做。可是对于其余虚拟机实现，例如BEA JRockit ，IBM J9等而言，是不存在永久代的概念的。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现细节，无需《 Java虚拟机规范》管束，并不要求统一。但如今回头来看，当年使用永久代来实现方法区的决定并非一个好主意，这种设计致使了Java应用更容易遇到 内存溢出的问题（永久代有-XX：MaxPermSize的上限，即便不设置也有大小，而J9和JRockit只要没有触碰到连续可用的内存的上限，例如32位系统中的4GB限制，就不会出问题），并且有极少数方法（例如String :: intern（））会因永久代的缘由而致使不一样虚拟机下有不一样的表现。当Oracle收购BEA得到了JRockit的全部权后，准备把JRockit中的优秀功能，例如如Java Mission Control管理工具，移植到Hotpot虚拟机时，但由于另外一个对方法区实现的差别而面临诸多困难。考虑到Hotpot将来的发展，在JDK 6的时候Hotpot开发团队有放弃永久代，逐步从新采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了 ，到了JDK 7的热点，已经把本来放在永久代的串行常量池，静态变量等移出，而到了JDK 8，终于彻底废弃了永久代的概念，改用与JRockit，J9同样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）所有移到元空间中。 《 Java虚拟机规范》对方法区的约束是很是宽松的，除了和Java堆同样不须要连续的内存和能够选择固定大小或可扩展外，甚至还能够选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域的确是比较少出现的，但并不是数据进入了方法区就如永久代的名字同样“永久”存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来讲这个区域的回收效果比较难于知足，尤为是类型的卸载，条件至关苛刻，可是这部分区域的回收有时又确实是必要的。之前Sun公司的错误列表中，曾出现过的若干个严重的Bug就是因为低版本的HotSpot虚拟机该区域未彻底回收而致使内存泄漏。 根据《 Java虚拟机规范》的规定，若是方法区域没法知足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

1.6运行时常量池

类文件中除了有类的版本，索引，方法，接口等描述信息外，还有某些信息是常量池表（常量池表），用于放置编译期生成的各类字面量与符号引用，这部份内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。 Java虚拟机对于类文件每一部分（天然也包括常量池）的格式都有严格规定，如每个字节存储的数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机承认，加载和执行，但对于运行时常量池，《 Java虚拟机规范》并无作任何细节的要求，不一样提供商实现的虚拟机能够按照本身的须要来实现这个内存区域，不过通常来讲，除了保存类文件中描述的符号引用外，将会把由符号引用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类文件常量池的另一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量必定只有编译期才能产生，而不是连续地插入类文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也能够将新的常量加入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的即是字符串类的intern（）方法。 既然运行时常量池是方法区的一部分，天然受到方法区内存的限制，当常量池没法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

1.7直接内存

直接内存（Direct Memory）并非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。可是这部份内存也被替换了地使用，并且也可能致使OutOfMemoryError异常出现，因此咱们放到这里一块儿讲解。 在JDK 1.4中新加入了NIO（新输入/输出）类，发布了一种基于通道（Channel）与嵌套（Buffer）的I / O方式，它可使用本地函数库直接分配堆外部内存，而后经过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象做为这块内存的引用进行操做。这样能在一些场景中显着提升性能，由于避免了在Java堆和本地堆中来回复制数据。 显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，可是，既然是内存，则确定仍是会遇到本机总内存（包括物理内存，SWAP分区或分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，通常服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际的内存去设置-Xmx等参数信息，但常常忽略掉直接内存，而且要避免各自内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操做系统级的限制），从而致使动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。