深入理解Java虚拟机(2)之二-运行时数据区域

运行时数据区域

运行时数据区

  • 程序计数器(Program Counter Register):

线程私有,一块较小的内存空间,可以看做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一些更高效的方法实现),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条需要执行的字节码指令,分支、循环等基础功能都需要依赖计数器完成。

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,在任何一个确定的时刻,一个处理器只会执行一个线程的中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每个线程都需要独立的程序计数器,各个线程之间计数器互不影响,独立存储,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OutOfMemoryError情况的区域。

  • Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks):

线程私有,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:每个方法在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等)、对象引用(reference类型,它不同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他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,这个方法需要在帧中分配多大的局部空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在Java虚拟机规范中,对这个区域规定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,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(Native Method Stack):

线程私有,与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。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(Java Heap):

线程共享,存放对象实例。Java虚拟机规范中描述:所有对象实例以及数组都要在堆上分配,但随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术的逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有对象都在堆上分配变得并不是那么“绝对”。

从内存回收的角度来看,由于现在收集器基本都是采用分代收集算法,所以Java堆中还可以细分为:新生代和老生代;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堆中可能划分出对个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。

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,将会抛出OutOfMemoryError异常。

  • 方法区(Method Area):

线程共享,存储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。也被称为Non-Heap(非堆)。

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比较少出现。这个区域内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

当方法区不满足内存分配要求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

  • 运行时常量池(Runtime Constant Pool):

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,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(包括常量池)的格式有严格要求,对运行时常量池,没有做任何细节的要求。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。

运行时常量池相对Class常量池的一个重要特征是具备动态性,Java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,如String类的intern()方法。

运行时常量池也会抛出OutOfMemoryError异常。

  • 直接内存(Direct Memory):

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。

JDK 1.4 中新加入NIO(New Input/Output)类,引入一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式,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堆的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样在一些场景显著提升性能,因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

直接内存不会受到Java堆大小的限制,在配置虚拟机参数时,如果根据实际内存设置-Xmx等参数信息,忽略直接内存,会导致内存区域综合大于物理内存限制,将抛出抛出OutOfMemoryError异常。


该文章来源《深入理解Java虚拟机》


以上

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