二、JVM内存模型

JVM内存模型图：

JVM总体内存模型图：

 

运行时内存分为五大区域（常量池属于方法区，算所一块区域）

• 程序计数器PC
  • 程序计数器（Program Counter Refister）是一块较小的内存空间，它的作用可以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，各种虚拟机可能会通过更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一个需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需要依赖这个计数器来完成。

  • 由于JAVA虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一颗内核）只会执行一个线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每一个线程都需要有一个独立的程序计数器，各线程之间的程序计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
    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，这个计数器值为空（undefined）。

  • 异常：此内存区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

• 虚拟机栈

  • 与程序计数器一样，java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

  • 虚拟机栈描述的是java方法执行的内存模型：每个方法执行的时候都会同时创建一个栈帧（stack frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、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。栈帧：

  • 栈中的局部变量表：存放了编译期可知的基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、double、long）、对象引用（reference类型，不等同对象本身）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。局部变量表所需要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。

  • 异常：此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（大部分虚拟机可动态扩展，只不过java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈）；当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutofMemoryError异常

• 本地方法栈
  • 本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，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没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由的实现它。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。

  • 异常：与虚拟机栈一样

• 堆

• Java堆，是Java虚拟机管理的最大的一块内存，也是GC的主战场，里面存放的是几乎所有的对象实例和数组数据。JIT编译器有栈上分配、标量替换等优化技术的实现导致部分对象实例数据不存在Java堆，而是栈内存。

• 从内存回收角度，Java堆被分为新生代和老年代；这样划分的好处是为了更快的回收内存；

　　　　　　

• 从内存分配角度，Java堆可以划分出线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)；这样划分的好处是为了更快的分配内存；

• 对象创建的过程是在堆上分配实例对象，那么对象实例的具体结构如下：

 

　　　　

　　　　　　对于填充数据不是一定存在的，仅仅是为了字节对齐。HotSpot VM的自动内存管理要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。对象头本身是8的倍数，当对象的实例数据不是8的倍数，便需要填充数据来保证8字节的对齐。该功能类似于高速缓存行的对齐

• • 另外，关于在堆上内存分配是并发进行的，虚拟机采用CAS加失败重试保证原子操作，或者是采用每个线程预先分配TLAB内存.
  • 异常(Exception)：Java虚拟机规范规定该区域可抛出OutOfMemoryError。

• 方法区

  • 方法区与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非堆（Non-Heap），很多人称方法区为永久代，但本质上两者并不等价。

  • JAVA虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了跟JAVA堆一样不需要连续的物理内存空间和可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集在这个区域是很少出现的，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，一般来说这个区域的回收“成绩”很难令人满意，尤其是类型的卸载。

  • 异常：当方法区域无法满足内存分配时，将抛出OutOfMemoryError异常

• 运行时常量

  • 运行时常量池是方法区的一部分。Class文件除了有类的版本、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存放到方法区的运行时常量池中。

  • 运行时常量池除了编译期产生的Class文件的常量池，还可以在运行期间，将新的常量加入常量池，比较常见的是String类的intern()方法。

    • 字面量：与Java语言层面的常量概念相近，包含文本字符串、声明为final的常量值等。
    • 符号引用：编译语言层面的概念，包括以下3类：
      • 类和接口的全限定名
      • 字段的名称和描述符
      • 方法的名称和描述符

    但是该区域不会抛出OutOfMemoryError异常。

• 直接内存

• 直接内存并不是虚拟机运行时的数据区的一部分，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。

• 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，则肯定还是会受到本机总内存的大小以及处理器寻址空间的限制。

• 一般在设置JAVA堆内存时-Xmx根据物理机的实际大小配置，经常忽略掉了直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理机内存限制，从而导致OutOfMemoryError异常

参考资料《深入理解JAVA虚拟机》