java虚拟机内部介绍

一.介绍

java 的内存管理和垃圾回收在某种程度是同一个问题来着。对于java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不在需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码,不容易出现内存泄露和内存溢出问题,由虚拟机管理内存这一切看起来变得很美好.不过,也正是因为java程序员将内存控制的权利交给了java虚拟机,一旦出现内存泄露和溢出的问题,如果不了解jvm是如何使用内存的,那么排查错误将成为一项异常艰难的工作.

1.1运行时数据区域

java虚拟机在执行java程序的过程中会将它管理的内存划分为若干个不同数据区域.这些区域都有各自的用处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,有些区域是依赖用户进程的启动和结束而建立和销毁的.

jvm所管理的的内存包括以下几个部分

a.程序计数器

program counter register 是一块较小的内存空间,它可以看做是当前线程所执行的字节码的信号指示器.在虚拟机的概念模型中,字节码解释器工作是就是通过改变这个计数器的值来选取下一个需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来实现。

由于jvm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，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码的指令的地址；如果正在执行的是native方法，这个计数器值则为空。此内存区域是唯一一个在jvm规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

b.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,jvms描述的是java方法执行的内存模型:每个方法在执行时都会创建一个栈帧(Stack Frame)（栈帧是方法运行时的基础数据结构）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在jvms中入栈道出栈的过程。

经常有人把java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存粉分配关系最密切的内存区域是这两块。所指的“栈”就是现在讲的jvms，或者说是jvms中局部变量表。

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(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,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他于此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址).

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(slot),其余的数据类型只占用了1个.局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小.

在jvm规范中,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jvms可以动态扩展(当前大部分的jvm都可动态扩展,只不过jvm规范中也允许固定长度的jvms),如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常.

c.本地方法栈

本地方法栈(Native Method Stack)与jvms所发挥的作用是非常好相似的,他们之间的区别不过是jvms为jvm执行java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则为jvm使用到的Native方法服务.在jvm规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的jvm可以自由实现它。甚至有的jvm（譬如Sun HotSpot）直接把本地方法栈和jvms合二为一。与jvms一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

d.Java堆

对于大多数应用来说,java堆(Java heap)是jvm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jvm启动创建.此内存区域的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内存.这点在jvm规范的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

java堆是垃圾收集器的主要区域。从内存回收的角度看，由于收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代；在细致点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。无论如何划分，都与存放内容无关，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的回收内存，或者更快地分配内存。

e.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,他用于存储已被jvm加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器后的代码等数据。虽然jvm规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是他却有一个别名叫做Non-Heap，目的是与Java堆区分开来。

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，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择吧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，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他jvm（如BEA JRockit、IBM J9）来说是不存在永久代的概念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受jvm规范约束，但使用永久代来实现方法区，现在看来不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题。现在也有放弃永久代并逐步改为采用Native Memory 来实现方法区的规划了。在目前已经发布的JDK1.7的HotSpot中，已经把原来放在永久代的字符串常量池移除。

f.运行时常量池

运行时常量池(Runtime Constant pol)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)

,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存放.

jvm对Class文件每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被jvm认可、装载和执行，但对于运行时常量池，jvm规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的jvm可以按照自己的需求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储存在运行时常量池中。

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，何种特性被开发人员利用的比较多的便是String类中intern（）方法。

既然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。

g.直接内存

直接内存(Direct Memory)并不是jvm执行时数据区的一部分,也不是jvm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.在JDK1.4新加入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对象最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,肯定还是会受到本机总内存(包括RAM以及SWAP区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制.