深入理解Java虚拟机-2.2 运行时数据区域 - 高飞网

2.2 运行时数据区域

2016-02-26 11:24:52.0

运行时数据区

    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。

程序计数器

    程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条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。

    如果线程正在上执行的是一个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,这个计数器则为空(Undefined)。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

    与程序计数器一样,Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)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:每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部q变量表(编译期可知的各种基本类型数据boolean、byte、char、short、int、float、long、double;对象引用reference类型和returnAddress类型)、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。局部变量表所需的内存空间在编译期完成分配,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。

    在Java虚拟机中规定了两种异常情况: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,当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

    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,它们之间的区别的不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务,而本地方法栈则为虚拟机使用的Native方法服务。本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryErorr异常。

Java堆

    对于大多数应用来说,Java堆(Java Heap)是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一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就昌存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。Java虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都在堆上分配。

    Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候被称做“GC堆(Garbage Collected Heap)”。
    从内存回收角度来看,由于现在收集器基本上都采用分代收集算法,所以Java堆中还可分为:新生代和老年代;再细致一点有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。
    从内存分配角度来看,线程共享的Java中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。

    如果堆中没有内存完成实例分配,并且也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

    方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器后的代码等数据。对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说,很多人都更愿意把方法区称为“永久代”(Permanent Generation),本质上两者并不等价,仅仅因为HotSpot虚拟机的设计团队选择GC分代收集扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区而已。相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少见的,但并非永久存在。回收的主要目标是针对常量池的回收和对类型的卸载。

    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。

运行时常量池

    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(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。

    既然是运行时常量池是方法区的一部分,自然受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。

直接内存

    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),但这部分内存也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

    在JDK1.4中新加入了NIO(New Input/Output)类,引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(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。

    显然,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,肯定还是受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制同。服务器管理员在配置虚拟机参数时,会根据实际内存设置-Xmx等参数信息,但经常忽略直接内存,使得各个内存区域总和大于特惠内存限制,从而导致扩展时出现OutOfMemoryError异常。


对象的访问定位

    建立对象是为了使用对象,我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机中只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置,所以对象的访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

    1、如果使用句柄访问的话,那么Java堆中将会划分中一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。如下图:

    2、如果使用直接指针访问,那么Java对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,而reference中存储的直接内存就是对象地址:


    这两种对象访问方式各有优势:    

句柄直接指针
reference中存储的是稳定的句柄地址,在对象移动时只会改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要修改速度更快,它节省了一次指针定位的时间开销,由于对象的访问在Jav中非常频繁,这类开销积少成多也是一项非常可观的成本。