深入理解JVM - 运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序时会将其管理的内存分为若干区域。

 

 

程序计数器 Program Counter Register

1. 当前线程所执行的字节码的行号指示器。类似寄存器PC，在JVM的概念模型中，就是通过改变这个计数器的值来选取下一条字节码指令，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依赖这个计数器完成
2. 线程私有。每个线程都有自己独立的程序计数器，或者说线程切换时切换前的线程要能保存自己的计数器值，切换后的线程要能恢复自己的计数器值，各线程计数器互不影响。
3. 如果线程正在执行Java方法，则计数器值为正在执行的虚拟机字节码指令地址；若正在执行本地（Native）方法，则计数器值未定义（Undefined）
4. 唯一一个在《JVM规范》中未规定任何OOM情况的区域。

概念模型：代表了所有虚拟机统一外观，但各虚拟机并不一定完全按照概念模型定义来设计，可能通过更高效率的等价方式实现。

 

 

Java虚拟机栈 Java Virtual Machine Stack

1. 线程私有
2. 描述Java方法执行的线程内存模型。一个方法的执行和退出对应一个栈帧的入栈和出栈。
3. 栈帧。存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
4. 局部变量表。存放编译期已知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用和returnAddress，这些数据类型在局部变量表中以局部变量槽（slot）表示，64位的long和double占用两个变量槽，其余类型占用一个。局部变量表所需内存空间在编译期完成分配，在进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大局部变量空间是完全确定的（非栈帧大小是确定的），运行时不会改变局部变量表大小（槽数量）。
5. SOF：请求栈深度大于虚拟机所允许的深度（如何理解）
6. OOM：若Java虚拟机栈容量可以动态扩展（HotSpot不能），当栈扩展时无法申请到足够内存。即便不能动态扩展，但如果申请栈空间时就失败也会导致OOM

 

本地方法栈 Native Method Stacks

与虚拟机栈的作用类似，不过本地方法栈为本地方法服务，Java虚拟机栈为Java方法（字节码）服务。

《JVM规范》未对本地方法栈使用的语言、使用方式、数据结构进行强制规定，因此虚拟机可灵活实现。HotSpot虚拟机将本地方法栈和虚拟机栈合二为一实现

和虚拟机栈一样，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

1. 虚拟机所管理的内存中最大的一块
2. 线程共享，虚拟机启动时创建
3. 唯一的目的就是存放对象实例，"几乎"所有对象实例及数组都在堆中分配。由于即时编译技术的进步，尤其逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换优化手段导致一些对象不再堆中分配。
4. 可划分多个线程私有的分配缓存区（Thread L:ocal Allocation Buffer，TLAB），提升对象分配效率。
5. 《JVM规范》规定，Java堆可物理上不连续，但逻辑上必须连续，多数虚拟机处于实现简单、存储高效的考虑，可能要求物理上也连续。
6. 可实现为固定大小，也可实现为可扩展。
7. OOM：在Java堆中没有内存完成实例分配，且堆也无法再扩展时，JVM抛出OOM

 

方法区 Method Area

1. 线程共享
2. 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
3. 永久代：Permnent Generation，并非《JVM规范》中的概念，仅是之前HotSpot虚拟机设计团队将收集器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，从而省去专门为方法区编写内存管理代码。对于其他虚拟机，是不存在永久代的概念的。永久代的设计导致Java应用更容易导致内存溢出的问题，以及少数方法（如String#intern）在不同虚拟机下有不同表现。
4. JDK7：HotSpot将原本放在永久代的字符串常量池、静态变量移出
5. JDK8：完全废弃永久代，使用本地内存实现的元空间（Metaspace）代替，将永久代剩余内容（主要是类型信息）移到元空间。
6. 《JVM规范》约束：很宽松，不需要物理上连续内存、可选固定大小或可扩展，还可以不实现垃圾收集。
7. 方法区的回收主要是常量池的回收和对类型的卸载。

 

运行时常量池 Runtime Constant Pool

1. 方法区一部分
2. Class文件中除了类版本、字段、方法、接口等描述信息，还有一项是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，在类加载后放到方法区的运行时常量池中。
3. 《JVM规范》对于Class文件的每个部分（包括常量池）的格式有严格要求，但是对运行时常量池没有限制。一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用，还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。
4. 与Class文件常量池相比，运行时常量池的特点是动态性，也就是不要求一定是编译期产生的，如 String#intern
5. OOM：受到方法区限制，无法申请到足够内存抛出OOM

 

直接内存 Direct Memory

1. 非运行时数据区域一部分，非《JVM规范》定义区域
2. JDK1.4引入NIO，可使用Native函数库直接分配堆外内存，通过存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象引用这块内存，避免Java堆和Native堆中来回复制数据（如何理解）。
3. OOM：不受Jav堆大小限制，但受本地内存限制，申请内存时无足够内存也会抛出OOM

 

 

问题

1. C/C++的堆和栈，Java的堆和栈
2. 栈帧、局部变量表、操作数栈
3. 基于寄存器的虚拟机与基于栈的虚拟机
4. 栈深度溢出？栈扩展失败？栈？
5. 逃逸分析技术？栈上分配、标量替换？
6. 常量池、运行时常量池、字符串常量池？
7. 符号引用与直接引用？
8. Java堆与Native堆？