java笔记(JVM Memory Structure)

本文摘自：《深刻理解Java虚拟机》的第2章内容

java运行时数据区域，主要包括了方法区(Method Area)，java栈区(java stack)，本地方法栈区(native method)，堆(heap)和程序计数器(program counter register)

1.程序计数器(Program Counter Register)：

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的做用能够看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各类虚拟机可能会经过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工做时就是经过改变这个计数器的值来选取下一条须要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、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并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）只会执行一条线程中的指令。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，咱们称这类内存区域为“线程私有”的内存。 若是线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；若是正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。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。

2.Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

与程序计数器同样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）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方法执行的内存模型：每一个方法被执行的时候都会同时建立一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操做栈、动态连接、方法出口等信息。每个方法被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从入栈到出栈的过程。

常常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”在后面会专门讲述，而所指的“栈”就是如今讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各类基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型），它不等同于对象自己，根据不一样的虚拟机实现，它多是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个表明对象的句柄或者其余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）。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其他的数据类型只占用1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，这个方法须要在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。 在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：若是线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的深度，将抛出StackOverflowError异常；若是虚拟机栈能够动态扩展（当前大部分的Java虚拟机均可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也容许固定长度的虚拟机栈），当扩展时没法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

3.本地方法栈(Native Method Stacks)

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，其区别不过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Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并无强制规定，所以具体的虚拟机能够自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈同样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4.Java堆

对于大多数应用来讲，Java堆（Java Heap）是Java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，几乎全部的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：全部的对象实例以及数组都要在堆上分配，可是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会致使一些微妙的变化发生，全部的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，所以不少时候也被称作“GC堆”（Garbage Collected Heap，幸亏国内没翻译成“垃圾堆”）。若是从内存回收的角度看，因为如今收集器基本都是采用的分代收集算法，因此Java堆中还能够细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。若是从内存分配的角度看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过，不管如何划分，都与存放内容无关，不管哪一个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。在本章中，咱们仅仅针对内存区域的做用进行讨论，Java堆中的上述各个区域的分配和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堆能够处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的便可，就像咱们的磁盘空间同样。在实现时，既能够实现成固定大小的，也能够是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（经过-Xmx和-Xms控制）。若是在堆中没有内存完成实例分配，而且堆也没法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5.方法区(Method Area)

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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范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作Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来讲，不少人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上二者并不等价，仅仅是由于HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其余虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来讲是不存在永久代的概念的。即便是HotSpot虚拟机自己，根据官方发布的路线图信息，如今也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory来实现方法区的规划了。

Java虚拟机规范对这个区域的限制很是宽松，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者可扩展外，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。这个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，通常来讲这个区域的回收“成绩”比较难以使人满意，尤为是类型的卸载，条件至关苛刻，可是这部分区域的回收确实是有必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是因为低版本的HotSpot虚拟机对此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，当方法区没法知足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

6.运行时常量池(Runtime Constant Pool)

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各类字面量和符号引用，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Class文件的每一部分（天然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每个字节用于存储哪一种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机承认、装载和执行。但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有作任何细节的要求，不一样的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Class文件中描述的符号引用外，还会把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Class文件常量池的另一个重要特征是具有动态性，Java语言并不要求常量必定只能在编译期产生，也就是并不是预置入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得比较多的即是String类的intern()方法。 既然运行时常量池是方法区的一部分，天然会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。

7.本机直接内存(Direct Memory)

直接内存并非虚拟机运行时数据区的一部分，它根本就是本机内存而不是VM直接管理的区域。可是这部份内存也会致使OutOfMemoryError异常出现，所以咱们放到这里一块儿描述。在JDK1.4中新加入了NIO类，引入一种基于渠道与缓冲区的I/O方式，它能够经过本机Native函数库直接分配本机内存，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对和本机堆中来回复制数据。显然本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，可是即然是内存那确定仍是要受到本机物理内存(包括SWAP区或者Windows虚拟内存)的限制的，通常服务器管理员配置JVM参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但常常忽略掉直接内存，使得各个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)，而致使动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

---

Java堆溢出

import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

/**

* 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());

           }

     }

}

[GC 6144K->4109K(20480K), 0.0288625 secs]

[GC 8804K->8500K(20480K), 0.0160519 secs]

[Full GC 17810K->13307K(20480K), 0.3890937 secs]

[Full GC 16378K->16308K(20480K), 0.2906083 secs]

[Full GC 16308K->16297K(20480K), 0.3850525 secs]

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

Dumping heap to java_pid6012.hprof ...

Heap dump file created [27878579 bytes in 0.229 secs]

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

---

虚拟机栈和本地方法栈溢出

• 若是线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的最大深度，将抛出StackOverFlowError
• 若是虚拟机在扩展栈时没法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError

虚拟机栈和本地方法栈OOM测试

/**

* VM Args : -Xss128k

*/

public class JavaVMStackSOF {

private int stackLength = 1;

public void stackLeak() {

stackLength++;

           stackLeak();

     }

public static void main(String[] args) {

           JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();

try {

                oom.stackLeak();

           } catch (Throwable e) {

                System. out.println( "stack length:" + oom.stackLength );

throw e;

           }

     }

}

stack length:11424

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError

     at zt.OOM.test.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:14 )

     at zt.OOM.test.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:15 )

     at zt.OOM.test.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:15 )

---

运行时常量池致使的内存溢出异常

import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

/**

* VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M

*

*/

public class RuntimeConstantPoolOOM {

public static void main(String[] args) {

// 使用List保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为

           List<String> list = new ArrayList<String>();

// 10MB的PermSize在integer范围内足够产生OOM了

int i = 0;

while ( true) {

                list.add(String. valueOf(i++).intern());

           }

     }

}

---

使用unsafe分配本机内存

import java.lang.reflect.Field;

import sun.misc.Unsafe;

/**

* VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M

*

*/

public class DirectMemoryOOM {

private static final int _1MB = 1024 * 1024;

public static void main(String[] args) throws Exception {

           Field unsafeField = Unsafe.class .getDeclaredFields()[0];

           unsafeField.setAccessible( true);

           Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get( null);

while ( true) {

                unsafe.allocateMemory( _1MB);

           }

     }

}

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

     at java.lang.Integer.toString( Integer.java:331 )

     at java.lang.String.valueOf( String.java:2959 )

     at zt.OOM.test.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:21 )

由DirectMemory致使的内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见明显的异常，若是读者发现OOM以后Dump文件很小，二程序中又直接或间接使用了NIO，那就能够考虑检查一下是否是这方面的缘由。