java虚拟机的内存模型

 2019-12-10 15:44  阅读(1091)
文章分类:Java Core

一、为什么要了解java虚拟机的内存模型

  java虚拟机作为java代码运行的平台,是java技术的基石。了解java虚拟机的内存模型也就变得十分必要。它能帮助我们更好的了解java代码的运行机制,更快的定位到一些bug,也能进行相关的性能调优等。

二、java虚拟机的内存模型

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  1.java堆(java heap):

      java虚拟机在启动的时候会创建java堆,它是java虚拟机所管理的内存最大的一块。

      其作用就是存放对象的实例,几乎所有的对象都是在这里存放。

      这个区域是由所有线程共享的,它也是垃圾回收的主战场。

      从垃圾回收的角度看,由于收集器基本都采用分代收集的算法,所以又将堆分为新生代和老年代;新生代又可以分为Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。

      堆内存不要求物理上的连续,只要逻辑上连续即可。

      如果堆中没有完成实例分配的空间,并且堆再也无法扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

  

  2.方法区(method area):

      方法区也是所有线程共享的。

      java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是他还有一个别名叫做非堆(Non-Heap),也有一种说法叫永久代。

      其主要用于存储已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,根据Java 虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError 异常。

    2.1运行时常量池(Runtime Constant Pool)

      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,用于存放生成的各种字面量和符号的引用,这部分内容在类加载后进入方法去的运行时常量池中存放。

      运行期也可以将新的常量放入常量池中,如String intern()  方法

      

  3.java虚拟机栈(jvm stack):

      每一个线程都对应着一个java 栈,它属于线程私有,它的生命周期与线程相同。

      每个方法执行时都会创建一个栈桢。每个方法从调用直结束就对应一个栈桢在java虚拟机栈中的入栈和出栈过程。

      这个区域java虚拟机规范定义了两种异常状况:当线程的请求深度虚拟机允许的深度,将抛stackOverflowError异常;如果虚拟机可以动态扩展,并且无法申请到足够的内存时抛出OutOfMemoryError异常。

    3.1、栈帧:每一个栈帧都对应着一个方法,它包含了局部变量表、操作数栈、动态连接、方法的返回地址和一些额外的附加信息。在代码编译的时候,栈帧中需要多大的局部变量表,多深的操作数栈都已经完全确定了,并且写入了方法表的code属性中,因此一个栈帧需要分配多少内存,不会受到程序运行期变量数据的影响,而仅仅取决于虚拟机的实现。位于java虚拟机栈栈顶的栈帧被成为当前栈帧,只有这个栈帧才是有效的,执行引擎运行的所有字节码指令都是针对当前栈帧操作的。

      3.1.1、局部变量表:

        主要存放了方法的参数和局部变量,也就是编译器可知的基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、long、float、double)、对象的引用(并不是对象本身,可能是指针、对象的句柄或者其他与此类型相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)

        其中64位的long和double类型的数据会占用两个局部变量空间(slot),其余的数据类型只占一个。

        局部变量表所需要的内存空间,在编译其完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期不会改变局部变量表的大小。

      3.1.2、操作数栈

        操作数栈也称操作栈,同局部变量表一样也是在编译的时候就知道了栈的深度。当一个方法刚执行的时候,这个方法的操作数栈是空的,在方法的执行过程中,会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容,也就是出战和入栈操作。

      3.1.3、动态连接

        每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属的方法的引用,持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接

      3.1.4、方法的返回地址

        当一个方法开始执行后,只有两种方式可以退出这个方法,一种是执行引擎遇到方法返回的字节码指令,这时候可能会有返回值传递给上层方法调用者。另一种方式是方法在执行过程中出现了异常,这个异常没有在方法体内得到处理,就会导致方法退出。

        方法退出过程实际上就等同于把当前栈帧出栈,因此退出时可能执行的操作有:恢复上层方法的局部变量表和操作数栈,把返回值压入调入者的操作数栈,调整pc计数器的值指向方法调用指令后面的一条指令等。

      3.1.5、附加信息

        虚拟机规范允许具体的虚拟机实现增加一些规范中没有描述的信息到栈帧之中,例如调试相关的信息等。

  4.本地方法栈(native method stack):

      和java栈一样,主要与虚拟机用到的 Native 方法相关,本地方法栈也是线程私有。

      这个区域也可能抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

 

  5.程序计数器(Program Counter Register):

      属于线程私有的数据区域,是一小块内存空间。

      主要代表当前线程所执行的字节码行号指示器。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,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完成。

      如果线程正在执行一个java方法,这个计数器记录的是正在虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行native方法,这个计数器值为空(undefine)。

      此区域是没有规定任何OutOfMemoryError的情况

  

  6.直接内存(Drict Memory)

      直接内存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,但是这部分区域也被频繁使用,而且也可能导致OutOfMemeoryError异常。

      由于NIO类的加入,引入了一种基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)的I/O方式,它可以使用native函数直接分配堆外内存,然后通过一个存储在java堆中的DirectorByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。

      如果这个区域的内存太大也会导致各个内存的总和大于实际物理内存,会抛出OutOfMemoryError异常。

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