JVM内存结构(运行时数据区)

it2022-05-06  0

1 概述

对于Java程序员来说,在虚拟机自动内存管理机制的帮助下,不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码,不容易出现内存泄漏和内存溢出问题,由虚拟机处理内存这一切看起来都很美好。不过,也正是因为Java程序员把内存控制权利交给Java虚拟机,一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题,如果不了解虚拟机是怎样使用内存的,那么排查错误将会是一个非常艰巨的任务。

2 运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把他所管理的内存划分为若干个不同的数据区域,这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

Java虚拟机的内存空间分为5个部分

程序计数器

Java虚拟机栈

本地方法栈

方法区 jdk1.7 jdk1.8 线程共享

方法区

直接内存

线程私有

程序计数器虚拟机栈本地方法栈

2.1 程序计数器(PC寄存器)

2.1.1 定义

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间。是当前线程所执行的字节码指令地址。

如果程序正在执行的一个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地址;如果正在执行的是Native方法,这个计数器值则为空(Undefined)

2.1.2 程序计数器的作用

字节码解释器工作时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,以此来实现流程控制。(分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成)在多线程情况下,线程切换回来后根据程序计数器来确定上次程序执行到哪里了

由于Java虚拟机的多线程时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,一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要一个独立的程序计数器,各条线程的计数器互不影响,独立存储。因此时线程私有的。

2.1.3 程序计数器的特点

是一块较小的区域线程私有,每条线程都有自己爹程序计数器生命周期随着线程的创建而创建,随着线程的死亡而结束是唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域

2.2 Java虚拟机栈(Java栈)

2.2.1 定义

Java虚拟机栈是描述Jav方法执行的内存模型。

与程序计数器一样,Java虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期和线程相同。Java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栈中入栈道出栈的过程。 方法的两种返回方式:return语句;抛出异常。不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。

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2.2.2 局部变量表

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(refrence类型,它不等同于对象本身,可能是一个指向对象的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returenAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)

2.2.3 虚拟机栈特点

线程私有,生命周期线程生命周期一致会抛出两种异常:StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError StackOverFlowError

若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展,那么当线程请求的的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出StackOverFlowError

OutOfMemoryError

若Java虚拟机栈的内存大小允许动态扩展(当前大部分的Java虚拟机都可以动态扩展),如果栈扩展时无法申请到足够的内存,将会抛出OutOfMemoryError异常。

局部变量表随着栈帧的创建而创建,它的大小在编时确定,创建时只需要分配实现规定的大小即可。在方法运行过程中,局部表量表的大小不会发生改变。

2.3 本地方法栈(C栈)

2.3.1 定义

本地方法栈描述的是本地方法运行过程的内存模型,是JVM运行Native方法准备的空间,由于很多Native方法都是用C语言实现的,所以它通常又叫做C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,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HotSpot虚拟机中,本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

本地方法被执行的时候,在本地方法栈也会创建一个栈帧,用于存放该本地方法的局部变量、操作数、动态链接、出口信息等

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间。

2.3.2 特点

为本地(Native)方法服务也会出现两种异常StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError

2.4堆

2.4.1定义

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区域,在虚拟机启动的时候创建。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。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称为“GC堆”(Garbage Collected Heap)。从垃圾回收的角度来看,由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以堆还可以细分为:新生代和老白代;再细致一点有:Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存的角度来看,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。 不过不论如何划分,都与存放的内容无关,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。

2.4.2 堆的特点

线程共享。整个Java虚拟机中只有一个堆,所有线程都访问同一个堆。在虚拟机启动的是创建是垃圾回收的主要区域从垃圾回收的角度可以分为:新声代、老年代当线程请求分配内存,但堆已满,而内存已无法再扩展时,就抛出OutOfMemoryError异常。

2.5 方法区

2.5.1 定义

方法区与堆一样,是各个线程共享的内存区域。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),目的因该是与Java堆区分开来。 方法区存放:

已经被虚拟机加载的类常量静态常量即时编译器编译后的代码

2.5.2方法区的特点

线程共享。方法区市堆的一个逻辑部分,因此和堆一样,都是线程共享的。整个虚拟机中只有哟个方法区。永久代。方法区中的信息一般需要长期存在,而且它又是堆的逻辑分区,因此用堆的划分方法,把方法区称为“永久代”。内存回收效率低。方法区中的信息一般需要长期存在,回收一遍之后可能只有少量信息无效。主要回收目标是:常量池、类型卸载。Java虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。和堆一样,允许固定大小,也允许动态扩展。还允许不实现垃圾回收。

2.5.3 方法区和永久代的关系

《Java虚拟机规范》只是规定了有方法区这个概念和它的作用,并没有规定如何去实现它。俺么。在不同的JVM上方法区的实现肯定是不同的了。方法区和永久代的关系很像Java中接口和类的关系,类实现了接口,而永久代就是HotSpot虚拟机堆虚拟机规范中方法区的一种实现方式。也就是说,永久代是HotSpot的概念,方法区是java虚拟机规范中的定义,是一种规范,而永久代是一种实现,一个是标准一个是实现,其他的虚拟机实现并没有永久代这一说。

2.5.4 常用参数

JDK1.8之前永久到还没有被彻底移除的时候通常通过瞎 main这些参数来调节方法区大小

-XX:PermSize=N //方法区(永久代)出事大小 -XX:MaxPermSize=N //方法区(永久代)最大大小,超出这个值将会抛出OutOfMemoryError异常

相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入方法区后就“永久存在”了 JDK1.8的是你,方法区(HotSpot的永久代)被彻底移除了(JDK1.7就已经开始了),取而代之的是原空间,元空间使用的是直接内存。

下面是一些常用参数:

-XX:MetaspaceSize=N //设置Metaspace的初始值(也是最小大小) -XX:MaxMetaspaceSize=N //设置Metaspace的最大大小

与永久代很大的不同就是,如果不指定大小的话,随着更多类的创建,虚拟机会耗尽所有可用的系统内存

2.5.5 为什么要将永久代替换为原空间呢?

整个永久代又一个JVM本身设置固定大小上限,无法进行调整,而原空间使用的是直接内存,受本机可用内存的限制,并且永远不会得到OutOfMemoryError。你可以使用XX:MaxMetaspaceSize标识设置最大原空间大小,默认值为unlimited,这意味着它只受系统内存的限制。-XX:MetaspaceSize调整标识定义元空间的初始大小,如果未制定此标志,则Metaspace将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。

2.6 运行时常量池

2.6.1 定义

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,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。

既然运行时常量池是方法区的一部分,自然收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。

JDK1.7及之后的版本JVM已经将运行时常量池从方法区中移了出来,在Java堆(heap)中开启了一块区域存放运行时常量池。

2.7 直接内存(堆外内存)

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。 JDK1.4中新加入的NIO(new Input/Output)类,引入了一种基于通道(Channel)与缓存区(Buffer)的IO方式,他可以直接使用NAtive函数库直接分配对外内存,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,这样就能在一些场景中显著提高性能,因为避免了在java堆和native堆之间来回复制数据。

本机直接内存的分配不会收到Javca堆的限制,但是,既然是内存就会收到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

直接内存与堆内存比较

直接内存申请空间耗费更高的性能直接内存读取IO的性能要优于普通的堆内存直接内存作用链: 本地 IO -> 直接内存 -> 本地 IO堆内存作用链:本地 IO -> 直接内存 -> 非直接内存 -> 直接内存 -> 本地 IO

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