JVM原理及内存机制

JVM的逻辑内存模型以下：

 

 

 咱们如今来逐个的看下每一个究竟是作什么的！

一、程序计数器

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。

二、Java 虚拟机栈

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 ①）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。

三、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。

四、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①，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②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。

五、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

使是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一

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导

致内存泄漏。

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。

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