JVM学习笔记：Java运行时数据区域

JVM执行Java程序的过程中，会使用到各种数据区域，这些区域有各自的用途、创建和销毁时间。根据《Java虚拟机规范》，JVM包括下列几个运行时数据区域，如下图所示：

其中红色部分是线程私有的，即每个线程各自都有自己的一份。绿色部分是各个线程共享的。

1.PC寄存器（The pc Register）

（1）每一个Java线程都有一个PC寄存器。

（2）PC寄存器是用于存储每个线程下一步将执行的JVM指令，如该方法为native的，则PC寄存器中不存储任何信息。

（3）此内存区域是唯一一个在JVM Spec中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.JVM栈（Java Virtual Machine Stacks）

（1）JVM栈是线程私有的，每个线程创建的同时都会创建JVM栈，与程PC寄存器一样，JVM栈的生命周期也是与线程相同。

（2）JVM栈中存放的为当前线程中局部基本类型的变量（Java中定义的八种基本类型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回结果以及Stack Frame，非基本类型的对象在JVM栈上仅存放一个指向堆上的地址。

（3）在JVM Spec中对这个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；如果JVM栈可以动态扩展（JVM Spec中允许固定长度的JVM栈），当扩展时无法申请到足够内存则抛出OutOfMemoryError异常。

（4）由于JVM栈是线程私有的，因此其在内存分配上非常高效，并且当线程运行完毕后，这些内存也就被自动回收。

3.本地方法栈（Native Method Stacks）

（1）本地方法栈与JVM栈所发挥作用是类似的，只不过JVM栈为虚拟机运行JVM原语服务，而本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法服务。它的实现的语言、方式与结构并没有强制规定，甚至有的虚拟机（譬如Sun Hotspot虚拟机）直接就把本地方法栈和JVM栈合二为一。

（2）和JVM栈一样，这个区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4.方法区（Method Area）

（1）别名叫做Non-Heap（非堆）。

（2）方法区域存放了所加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息，当开发人员在程序中通过Class对象中的getName、isInterface等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区域。

（3）方法区域是全局共享的，在一定的条件下它也会被GC，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。

（4）在Sun JDK中这块区域对应的为Permanet Generation，又称为永久代，默认为64M，可通过-XX:PermSize以及-XX:MaxPermSize来指定其大小。

5.运行时常量池（Runtime Constant Pool）

（1）类似C中的符号表，存放的为类中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空间从方法区域中分配。

（2）Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量表(constant_pool table)，用于存放编译期已可知的常量，这部分内容将在类加载后进入方法区（永久代）存放。但是Java语言并不要求常量一定只有编译期预置入Class的常量表的内容才能进入方法区常量池，运行期间也可将新内容放入常量池（最典型的String.intern()方法）。

（3）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，当常量池无法在申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

6.Java堆（Java Heap）

Java堆是被所有线程共享的，在虚拟机启动时创建。它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域，绝大部分的对象实例都在这里分配。在逃逸分析和标量替换优化技术出现后，并不是所有的对象实例都是在这里分配，但我们可以粗略地认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配。Heap中的对象的内存需要等待GC进行回收。

大小通过-Xms和-Xmx来控制，-Xms为JVM启动时申请的最小Heap内存（默认为物理内存的1/64但小于1G），-Xmx为JVM可申请的最大Heap内存（默认为物理内存的1/4）。默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap的大小到-Xmx指定的大小，可通过-XX：MinHeapFreeRatio=来指定这个比例。默认当空余堆内存大于70%时，JVM会将Heap的大小往-Xms指定的大小调整，可通过-XX：MaxHeapFreeRatio=来指定这个比例。但对于运行系统而言，为了避免频繁的Heap Size的调整，通常都会将-Xms和-Xmx的值设成一样，因此这两个用于调整比例的参数通常是没用的。

JVM将Heap分为New Generation和Old Generation（或Tenured Generation）两块来进行管理：

（1）New Generation

又称为新生代，程序中新建的对象都将分配到新生代中，新生代又由Eden Space和两块Survivor Space构成，可通过-Xmn参数来指定其大小。发生在新生代的垃圾收集动作称为Minor GC。

（2）Old Generation

又称为旧生代（老年代），用于存放程序中经过几次垃圾回收还存活的对象，例如缓存的对象等，旧生代所占用的内存大小即为-Xmx指定的大小减去-Xmn指定的大小。发生在老年代的垃圾收集动作成为Major GC/Full GC。

（3）内存分配策略

a. 对象优先在Eden分配。b. 大对象直接进入老年代。c. 长期存活的对象将进入老年代。

对堆的解释：

1）堆是JVM中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也导致了new对象的开销是比较大的。

2）鉴于上面的原因，Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间，这块空间又称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行的情况计算而得，在TLAB上分配对象时不需要加锁，因此JVM在给线程的对象分配内存时会尽量的在TLAB上分配，在这种情况下JVM中分配对象内存的性能和C基本是一样高效的，但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配。

3）TLAB仅作用于新生代的Eden Space，因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效，但这种方法同时也带来了两个问题，一是空间的浪费，二是对象内存的回收上仍然没法做到像Stack那么高效，同时也会增加回收时的资源的消耗，可通过在启动参数上增加-XX:+PrintTLAB来查看TLAB这块的使用情况。

参考资料

《深入java虚拟机：VM高级特性与最佳实践》

JVM内存管理：深入Java内存区域与OOM http://icyfenix.iteye.com/blog/802573

http://itindex.net/detail/48698-jvm-%E5%86%85%E5%AD%98

深入理解JVM—JVM内存模型 http://yhjhappy234.blog.163.com/blog/static/316328322011101723933875/?suggestedreading&wumii

《The Java® Virtual Machine Specification》 http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html