Java内存区域解析
Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域:程序计数器(Program Counter Register)、Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)、本地方法栈(Native Method Stack)、Java堆(Java Heap)、方法区(Method Area)、运行时常量池(Runtime Constant Pool)和直接内存(Direct Memory)。
一、程序计数器(Program Counter Register)
程序计数器是一块较小的内存空间,它可以看做是当前线程所执行的字节码的指示器。每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,即“线程私有”内存区域。如果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;如果正在执行的是Native方法,这个计数器值则为空(Undefined)。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemory情况的区域。
二、Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)
Java虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈VM Stack描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出入口等信息。每一个方法从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入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference类型)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),其余的数据类型只占用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,这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常情况:StackOverFlow异常和OutOfMemory异常。前者在线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时出现,如函数递归时导致的线程中方法嵌套层数太深,或者方法局部变量数量太庞大;后者一般在创建线程数量过多时出现,每个线程都需要独立的虚拟机栈。
三、本地方法栈(Native Method Stack)
本地方法栈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,而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。甚至有的虚拟机,如HotSpot虚拟机,直接就把本地方法栈和虚拟机栈合而为了。与虚拟机栈一样,本地方法栈区也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
四、Java堆(Java Heap)
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。此内存区域用于存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。从内存回收的角度来看,由于现代收集器基本都采用分代算法,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,存储的都仍然是对象实例。
Java虚拟机规范表示,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。
五、方法区(Method Area)
方法区与Java堆一样,是线程间共享的内存区域,用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、JIT即时编译器编译后的代码等数据。
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。
六、运行时常量池(Runtime Constant Pool)
运行时常量池是方法区的一部分。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。
一般来说,运行时常量池除了保存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其中。运行时常量池相对于Class文件常量池的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的比较多的便是String类的intern()方法。
七、直接内存(Direct Memory)
直接内存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。
JDK1.4中新加入了NIO类,引入一种基于Channel与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。
参考文献:【1】《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第2版)》