Java虚拟机内存分配详解

简介

　　了解Java虚拟机内存分布的好处

　　1.了解Java内存管理的细节，有助于程序员编写出性能更好的程序。比如，在新的线程创建时，JVM会为每个线程创建一个专属的栈 （stack），其栈是先进后出的数据结构，这种方式的特点，让程序员编程时，必须特别注意递归方法要尽量少使用，另外栈的大小也有一定的限制，如果过多 的递归，容易导致stack overflow。

　　2.了解Java内存管理的细节，一旦内存管理出现问题，有助于找到问题的根本原因所在。

　　3.了解Java内存管理的内幕，有助于优化JVM，从而使得自己的应用获得最佳的性能体验。

JVM的体系结构如下

　　如下图所示，JVM的体系结构包含几个主要的子系统和内存区：

类装载子系统

　　负责把类从文件系统中装入内存

GC子系统

　　垃圾收集器的主要工作室自动回收不再运行的程序引用对象所占用的内存，此外，它还可能负责那些还在使用的对象，以减少的堆碎片。

内存区

　　用于存储字节码，程序运行时创建的对象，传递给方法的参数，返回值，局部变量和中间计算结果。

执行引擎
　　1、最简单的：一次性解释字节码。
　　2、快，但消耗内存的：“即时编译器”，第一次被执行的字节码会被编译成机器代码，放入缓存，以后调用可以重用。
　　3、
自适应优化器，虚拟机开始的时候会解释字节码，但是会监视运行中程序的活动，并记录下使用最频繁的代码段。程序运行的时候，虚拟机只把使用最频繁的代码编
译成本地代码，其他的代码由于使用的并不频繁，继续保留为字节码--由虚拟机继续解释他们。一般可以使java虚拟机80%~90%的时间里执行被优化过
的本地代码，只需要编译10%~20%对性能优影响的代码。
　　4、由硬件芯片组成，他用本地方法执行java字节码，这种执行引擎实际上是内嵌在芯片里的。

 

 

程序计数器（Program Counter Register）

　　它是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当先线程所执行的字节码的信号指示器。

　　每一条JVM线程都有自己的PC寄存器，各条线程之间互不影响，独立存储，这类内存区域被称为“线程私有”内存。

　　在任意时刻，一条JVM线程只会执行一个方法的代码。该方法称为该线程的当前方法（Current Method）。

　　如果该方法是java方法，那PC寄存器保存JVM正在执行的字节码指令的地址。

　　如果该方法是native，那PC寄存器的值是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 Stack）

　　与PC寄存器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的。每一个JVM线程都有自己的java虚拟机栈，这个栈与线程同时创建，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：每个方法被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、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一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。

　　JVM stack 可以被实现成固定大小，也可以根据计算动态扩展。

　　如果采用固定大小的JVM stack设计，那么每一条线程的JVM Stack容量应该在线程创建时独立地选定。JVM实现应该提供调节JVM Stack初始容量的手段；如果采用动态扩展和收缩的JVM Stack方式，应该提供调节最大、最小容量的手段。

　　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；

　　如果JVM Stack可以动态扩展，但是在尝试扩展时无法申请到足够的内存时抛出OutOfMemoryError。

本地方法栈（Native Method Stack）

　　本地方法栈与虚拟机栈作用相似，后者为虚拟机执行Java方法服务，而前者为虚拟机用到的Native方法服务。

　　虚拟机规范对于本地方法栈中方法使用的语言，使用方式和数据结构没有强制规定，甚至有的虚拟机（比如HotSpot）直接把二者合二为一。

　　这玩意儿抛出的异常跟上面的虚拟机栈一样。

Java堆（Java Heap）

　　虚拟机管理的内存中最大的一块，同时也是被所有线程所共享的，它在虚拟机启动时创建，这货存在的意义就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都要在这里分配内存。这里面的对象被自动管理，也就是俗称的GC（Garbage Collector）所管理。用就是了，有GC扛着呢，不用操心销毁回收的事儿。

　　Java堆的容量可以是固定大小，也可以随着需求动态扩展（-Xms和-Xmx），并在不需要过多空间时自动收缩。

　　Java堆所使用的内存不需要保证是物理连续的，只要逻辑上是连续的即可。

　　JVM实现应当提供给程序员调节Java 堆初始容量的手段，对于可动态扩展和收缩的堆来说，则应当提供调节其最大和最小容量的手段。

　　如果堆中没有内存完成实例分配并且堆也无法扩展，就会抛OutOfMemoryError。

方法区（Method Area）

　　跟堆一样是被各个线程共享的内存区域，用于存储以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。虽然这个区域被虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它的别名叫非堆，用来与堆做一下区别。

　　方法区在虚拟机启动的时候创建。

　　方法区的容量可以是固定大小的，也可以随着程序执行的需求动态扩展，并在不需要过多空间时自动收缩。

　　方法区在实际内存空间中可以是不连续的。

　　Java虚拟机实现应当提供给程序员或者最终用户调节方法区初始容量的手段，对于可以动态扩展和收缩方法区来说，则应当提供调节其最大、最小容量的手段。

　　当方法区无法满足内存分配需求时就会抛OutOfMemoryError。

　　这里有一个小例子，来说明堆，栈和方法区之间的关系的

 public class Test2 {
     public static void main(String[] args) {
         public Test2 t2 = new Test2();
         //JVM将Test2类信息加载到方法区,new Test2()实例保存在堆区,Test2引用保存在栈区
     }
 }  

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

　　它是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，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。

　　Java虚拟机对Class文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才 会被虚拟机认可、装载和执行。但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存 区域。不过，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。

　　运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，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，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的 intern()方法。

　　既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会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（Direct Memory）

　　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OutOfMemoryError异常出现。

　　JDK1.4加的NIO中，ByteBuffer有个方法是allocateDirect(int capacity) ，这是一种基于通道（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堆里面的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，则肯定还是会受到本机总内存（包括RAM及SWAP区或者分页文件）的 大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总 和大于物理内存限制（包括物理上的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

鸣谢

　　小弟学习Java虚拟机时并没有阅读书籍，主要是查看博客和相关文档，特地在此谢谢以下前辈们的精彩博客。

　　1.http://www.cnblogs.com/Cratical/archive/2012/08/21/2649985.html

　　2.http://hllvm.group.iteye.com/group/wiki/3053-JVM