JVM—运行时数据区域

参考资料:深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第3版)周志明

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若干个不同的数据区域。

1、程序计数器---线程私有

  1. 字节码解释器工作时通过改变这个计数器的值,选取下一条执行的字节码指令。
  2. 程序计数器是程序控制的指示器,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复都是依赖于这个计数器。
  3. JVM中为了线程切换后能恢复到正确的位置,每个线程都有独立的计数器
  4. 各个线程之间的计数器互不影响,独立存储,我们称这块内存区域为"线程私有"内存,也叫做"工作内存"。

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。

2、虚拟机栈---线程私有

它的生命周期和线程相同,虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型

每个方法执行时,虚拟机都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储:

  1. 局部变量表 (也叫做本地变量表)
    1. 局部变量表存放有:基本数据类型、对象引用(不是对象本身)、returnAddress类型(指向一个字节码指令的地址)
  2. 操作数栈
  3. 动态链接
  4. 方法出口

每个方法从调用到结束,就对应一个栈帧在虚拟机栈从出栈到入栈的过程。

关于局部变量表:

  • 这些数据类型在局部变量表中以局部变量槽(Slot)来表示
  • 64位长度的long和double会占用两个Slot、其他数据类型只占用1个
  • 局部变量表所需内存在编译期完成分配,一旦确定程序运行时内存不会发生变化。

这个内存区域规定了两类异常情况:

1、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

2、如果Java虚拟机栈的容量可以动态拓展(HotSpot不可以,以前的Classic可以),当栈拓展到无法申请到足够的内存,会抛出OutOfMemoryError异常

3、本地方法栈---线程私有

本地方法栈与虚拟机栈发挥作用是相似的,区别在于本地方法栈是为虚拟机使用到的本地(Native)方法服务。

与虚拟机栈一样,本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出 StackOverflowError 和OutOfMemoryError 异常。

4、Java堆---线程共享、存对象实例

Java堆(Java Heap)是虚拟机管理的内存中最大的一块,是被所有线程共享的一块内存区域。

JavaHeap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分配内存

  • Java Heap是垃圾收集器管理的内存区域,因此也被叫做GC堆。
  • Java Heap可以被划分为多个线程私有的分配缓冲区(TLAB),无论如何划分都只能存对象实例(细分只是为了更好的回收和分配内存)。

4.1 字符串常量池

在Java 7之前,字符串常量池部分地位于方法区。但从Java 7开始,字符串常量池被转移到了Java堆内存中,这是为了便于垃圾回收和内存分配。

字符串常量池中存放的什么?

Java 复制代码
String str1 = "hello"
String str2 = new String("world");
String str3 = "hello";
  • str1、str2被放置在了虚拟机栈中。
  • hello字符串字面量被放置在了字符串常量池中。
  • word字符串字面量则被放置到了字符串常量池中,new String("world") 会在Java堆中创建一个新的字符串对象。
  • 在执行完第一行代码后,常量池中已经存在"hello",第二次创建str3不会在字符串常量池申请新的空间。

5、方法区---线程共享、存常量,静态变量

方法区(Method Area)用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后代码缓存的数据。

在JDK8之前,HotSpot JVM将方法区实现为永久代,但这部分内存是有固定大小的,并非真正的"永久",到了JDK8废弃了永久代的概念,在本地内存中实现元空间来代替。

这种变化解决了永久代空间固定可能导致的内存溢出问题

《Java 虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的,除了和 Java 堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外,甚至还可以选择不实现垃圾收集。

5.1 运行时常量池

  1. 运行时常量池是方法区的一部分每个类或接口有自己的运行时常量池
  2. Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有常量池表用于存放编译期生成的字面量和符号引用,这部分内容在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

暂时无法在飞书文档外展示此内容

java语言运行时也可以将新的常量放入常量池中,这种特性用的比较多的是String的intern()方法,将常量放入了字符串常量池。

Java 复制代码
String str1 = new String("Hello");
String str2 = str1.intern();
String str3 = "Hello";

System.out.println(str1 == str2); // 输出 false
System.out.println(str2 == str3); // 输出 true

6、直接内存

  • 直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分,不过这部分内存也被频繁使用
  • JDK1.4加入 NIO(New Input/Output)类,引入了一种基于通道与缓冲区的I/O方式,可以使用Native函数直接分配堆外内存,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。 这样能显著提高性能。
  • 本机直接分配的内存不会受到Java堆大小的限制,不过会受到本机总内存的限制。

7、常见的OOM

7.1 Java堆内存溢出

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space ------>java堆内存溢出,此种情况最常见见,一般由于内存泄露或者堆的大小设置不当引起。对于内存泄露,需要通过内存监控软件查找程序中的泄露代码,而堆大小可以通过虚拟机参数-Xms,-Xmx等修改。

7.2 Java方法区溢出

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space ------>java永久代溢出,即方法区溢出了,一般出现于大量Class或者jsp页面,或者采用cglib等反射机制的情况,因为上述情况会产生大量的Class信息存储于方法区。此种情况可以通过更改方法区的大小来解决,使用类似-XX:PermSize=64m-XX:MaxPermSize=256m的形式修改。

7.2 虚拟机制栈溢出

java.lang.StackOverflowError ------>不会抛OOM Error,但也是比较常见的Java内存溢出。JAVA虚拟机栈溢出,一般是由于程序中存在死循环或者深度递归调用造成的,栈大小设置太小也会出现此种溢出。可以通过虚拟机参数-Xss来设置栈的大小。

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