JVM原理【笔记】

Java虚拟机运行时数据区

 

程序技术器：

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：

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：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；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部 分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如 果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈：

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间 的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，而本地方法栈则为虚 拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式 与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。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。与虚拟机栈一样，本地方法 栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆：

对于大多数应用来说，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，几乎所有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：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配[1]，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技 术逐渐成熟，栈上分配、标量替换[2]优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都 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，因此很多时候也被称做“GC堆”（Garbage Collected Heap，幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基 本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：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。从内存分配的角度来看，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 过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，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。
根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上 是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是 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（通过-Xmx和-Xms控制）。如 果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异 常。

方法区：

方法区（Method Area）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，但是它却有一个别名叫做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、部署程序的开发者来说，很多人都更愿意把方法区 称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为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，这样 HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内 存管理代码的工作。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来说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，不受虚拟机规范约束，但使用永久代 来实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题（永久代 有-XX：MaxPermSize的上限，J9和JRockit只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系 统中的4GB，就不会出现问题），而且有极少数方法（例如String.intern（））会因这个原因 导致不同虚拟机下有不同的表现。因此，对于HotSpot虚拟机，根据官方发布的路线图信 息，现在也有放弃永久代并逐步改为采用Native Memory来实现方法区的规划了[1]，在目前已 经发布的JDK 1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。 Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以 选择固定大小或者可扩展外，还可以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，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“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，一般来说，这个区域的回 收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确 实是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的 HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。 根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError异常。

运行时常量池【方法区的一部分】：

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种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常 量池中存放。 Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字 节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行 时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自 己的需要来实现这个内存区域。不过，一般来说，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[1]。 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 多的便是String类的intern（）方法。 既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申 请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存【不是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】：

直接内存（Direct Memory）并不是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。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError 异常出现，所以我们放到这里一起讲解。 在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓 冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储 在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著 提高性能，因为避免了在Java堆和Native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，但是，既然是内存，肯定还是 会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限 制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略 直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制）， 从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

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