JVM虚拟机-运行时数据区概述

目录

• 运行时数据区域
  • 总览
  • 概念扫盲
    • 什么是栈帧(Stack Frame)
    • JVM常见出现两种错误
• 程序计数器
• 虚拟机栈
  • 结构
  • 局部变量表
  • 方法是如何调用的
• 本地方法栈
• 堆
  • 浅堆和深堆
  • 堆的细分
• 方法区
  • 方法区和永久代的关系
  • 为什么要将永久代替换为元空间 ?
  • 运行时常量池
• 直接内存
• 总结

运行时数据区域

总览

JDK. 1.7 之后版本略有不同

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域。

有必要深入了解这块的内容，因为它将决定服务器性能，除此之外还有助于快速定位虚拟机的相关Error。

首先来对整个运行时区域有一个整体的认识。

如下图

JDK 1.7 之前：

JDK 1.7 以及之后（1.8正式使用，1.7还需要手动设置一下） ：

• 线程私有的（图中红色）

• 线程共享的（图中绿色、蓝色）

概念扫盲

什么是栈帧(Stack Frame)

每一次函数的调用，都会在调用栈上维护一个独立的栈帧，每个独立的栈帧一般包括:

• 函数的返回地址和参数
• 临时变量
• 函数调用的上下文

栈是从高地址向低地址延伸，一个函数的栈帧用ebp 和 esp 这两个寄存器来划定范围。

ebp 指向当前的栈帧的底部，esp 始终指向栈帧的顶部。

• ebp 寄存器又被称为帧指针(Frame Pointer)
• esp 寄存器又被称为栈指针(Stack Pointer)

JVM常见出现两种错误

• StackOverFlowError： 若 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出 StackOverFlowError 错误。
• OutOfMemoryError： Java 虚拟机栈的内存大小可以动态扩展， 如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常异常。

程序计数器

程序计数器占用较小的一块内存空间，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被来回切换的时候，能够知道该线程上次运行到哪儿了。

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，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。

它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域。

虚拟机栈

结构

虚拟机栈也是线程私有，而且生命周期与线程相同。

每个Java方法在执行的时候都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

局部变量表

• 存放编译器可知的各种基本数据类型（boolean、byte等）
• 对象引用（reference类型，它不等同于对象本身）
  • 可能是一个指向对象起始地址的引用指针
  • 也可能是指向另一个代表对象的句柄
  • 其他次对象相关的位置
• returnAddress类型，指向了一条字节码指令的地址

方法是如何调用的

每一次函数调用都会有一个对应的栈帧被压入 Java 栈，每一个函数调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。

Java 方法有两种返回方式：

1. return 语句。
2. 抛出异常。

不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。

本地方法栈

主要为虚拟机使用到的Native方法服务，作用其实类似虚拟机栈，其结构也和虚拟机栈一样

二者的区别是虚拟机栈为虚拟机执行字节码服务。

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表、操作数栈、动态链接、出口信息。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间。

在 HotSpot 虚拟机中和虚拟机栈合二为一

堆

Java 堆是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。

此内存区域的目的是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

说是几乎是因为由于多项技术的进步与成熟，如：逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术，一些对象也可能在栈上分配内存。

Java 堆是JVM中最大的一块内存区域，也是是垃圾回收（Garbage Collected）管理的主要区域，故又叫做GC堆。

浅堆和深堆

浅堆和深堆是两个非常重要的概念，理解他们之前需要先了解什么是保留集。

保留集，即为只被单一对象所持有的对象的集合，如图：

• 浅堆是指一个对象所消耗的内存。如上图
• 深堆是指对象的保留集中所有的对象的浅堆大小之和。

堆的细分

HotSpot中还有永久代的概念，不过已经是历史了。

JDK 8 HotSpot 的永久代被彻底移除，取而代之是元空间，元空间使用的是直接内存。

现在垃圾收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆还可以细分，堆分为新生代（占堆1/3），老生代(占堆2/3)

• 新生代（内部比例8:1:1）
  • Eden 空间
  • From Survivor 空间
  • To Survivor 空间
• 老年代

进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

流程：

• 大多数情况，对象都会首先在 Eden 区域分配
• 在一次新生代垃圾回收后，如果对象还存活，则会进入两个Survivor中的一个，然后对象的年龄加 1
• 它的年龄增加到年龄阈值（默认为 15 ），就会被晋升到老年代中

对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 设置

方法区

方法区与 Java 堆一样，也是所有线程共享的。

主要用于存储类的信息、常量池、方法数据、方法代码等。

方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，有一个别名叫做 Non-Heap（非堆）

该区域的内存回收目标主要针对常量池的回收和类型的卸载。

在HotSpot虚拟机中，用永久代来实现方法区，但是这样容易遇到内存溢出的问题，所以在Java 8之后就取消了方法区。

方法区和永久代的关系

摘自《深入理解Java虚拟机》第三版

《Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用，并没有规定如何去实现它。那么，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 虚拟机对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法。

为什么要将永久代替换为元空间 ?

• 永久代内存有一个JVM固定的上限，经常会出现OutOfMemoryError。
• 元空间使用的是直接内存，受本机可用内存的限制，虽然元空间仍旧可能溢出，但是比原来出现的几率会更小。
• 元空间里面存放的是类的元数据，由系统的实际可用空间来控制，这样能加载的类就变多了。
• 在 JDK8，合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时，JRockit 没有永久代，如果强行保留实现起来困难重重。

当元空间溢出时会得到如下错误： java.lang.OutOfMemoryError: MetaSpace

运行时常量池

运行时常量池用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用，是方法区的一部分。

运行时常量池用来动态获取类信息，包括：

• Class文件元信息描述
• 编译后的代码数据
• 引用类型数据
• 类文件常量池

运行时常量池是在类加载完成之后，将每个Class常量池中的符号引用值转存到运行时常量池中。

每个Class都有一个运行时常量池，类在解析之后将符号引用替换成直接引用，与全局常量池中的引用值保持一致。

运行时常量池相的另外一个重要特性是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译器才能产生，也就是并非预置入Class文件中的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。

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是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。

使用的方式是通过 JDK1.4 中加入的NIO(New Input/Output)类，它可以直接使用 Native 函数库直接分配堆外内存。

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。

避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据，在一些场景中显著提高了性能，

本机直接内存的分配不受 Java 堆的限制，但受到本机总内存大小，以及处理器寻址空间的限制，因此也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。

总结

以上的各个分区，各司其职，是了解Java虚拟机的基础。

理解各区域的指责和作用，对JVM后续的学习有非常大的帮助，如果这些没搞懂，后面学起来是真头大‍。

结合图例，相信可以较为清晰了理解各分区的架构和指责，觉得有用欢迎点个推荐、点个赞。

参考：

《深入理解Java虚拟机》第三版 ——周志明 （吹爆）