JVM篇1：Java的内存区域（运行时数据区）

桃扇骨 2023-03-06 03:20 16阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  本文主要介绍Java的内存区域划分及各区域特点
     *   *  1.程序计数器
         *  2.Java虚拟机栈
         *  3.本地方法栈
         *  4.堆
         *  5.方法区
         *   *  5.1 ⽅法区和永久代的关系
             *  5.2 常⽤参数
             *  5.3 将永久代替换为元空间的原因
             *  5.4 运行时常量池
         *  6.直接内存

## 本文主要介绍Java的内存区域划分及各区域特点 ##

*  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的区域，并在JDK1.8之后发生了一些变化。
 *  1.8之前：  
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 *  1.8之后：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]
 *  总的来说：  
    （1）线程之间私有的是：**程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈**  
    （2）线程之间共享的是：**堆，方法区，直接内存（非运行时数据的一部分）**

### 1.程序计数器 ###

*  程序计数器是一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
 *  **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跳需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等等都需要计数器来完成。**
 *  另外，为了线程切换后等恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各个线程之间的计数器互不影响，这也是线程私有内存区域的原因。
 *  通俗的说程序计数器有以下作用：  
    （1）字节码解释器通过改变程序计数器依次读取指令，从而实现代码的流程控制。  
    （2）多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能知道该线程上次运行到哪了。
 *  注意：**程序计数器是唯一一个不会出现OutOfMemoryError（内存不足）的内存区域，它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而结束。**

### 2.Java虚拟机栈 ###

*  Java虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期和线程相同，描述的是Java方法执行的内存模型，每次方法调用的数据都是通过栈传递的。
 *  Java内存可以粗糙的区分为堆内存和栈内存，其中栈就是现在说的虚拟机栈 ，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。（实际上，Java虚拟机栈是由一个个的栈帧组成的，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息）。
 *  \*\* 局部变量表主要存放了编译器可知的各种基本类型\*\*（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、**对象引用**（不同于对象本身，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与此对象相关的位置）。
 *  **Java虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError和OutOfMemoryError**。  
    （1）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，就会抛出此错误。  
    （2）OutOfMemoryError：若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，且当线程请求栈时内存用完了，无法在动态扩展了，此时就会抛出此错误。
 *  Java 虚拟机栈也是线程私有的，每个线程都有各⾃的Java虚拟机栈，⽽且随着线程的创建⽽创建，随着线程的死亡⽽死亡。
 *  扩展1：方法/函数如何调用？  
    （1）Java栈可类比数据结构中的栈，Java栈中保存主要内容是栈帧，每一次函数调用都会有一个对象的栈帧被压入Java栈，每一个函数调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。  
    （2）方法返回主要是以下方式：（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。
 *  扩展2：虚拟机JVM和Hotspot的联系与区别？  
    （1）JVM是虚拟机，总的来说是一种标准规范，虚拟机有很多实现版本。主要作用就是运行java的类文件的。  
    而HotSpot是虚拟机的一种实现，它是sun公司开发的，是sun jdk和open jdk中自带的虚拟机，同时也是目前使用范围最广的虚拟机。  
    HotSpot，顾名思义，它是基于热点代码探测的，有JIT即时编译功能，能提供更高质量的本地代码。  
    （2）二者区别是一个是标准，一个是实现方式。

### 3.本地方法栈 ###

*  本地方法栈和Java虚拟机栈的区别在于：\*\*虚拟机栈为虚拟机执行java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native服务。\*\*在HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合⼆为⼀。
 *  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、方法出口信息。
 *  ⽅法执⾏完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间，也会出现StackOverFlowError 和OutOfMemoryError 两种异常。

### 4.堆 ###

*  Java虚拟机中内存区域最大的一块，在虚拟机启动的时候创建。**此内存区域唯一目的是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组在这里分配内存。**
 *  堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC堆。从垃圾回收的角度来看，由于现在收集器基本采用分代垃圾回收算法，因为堆还可以分为新生代和老年代，再细致一点分为：Eden空间、From Survivor、To Survivor空间等。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。  
    ![在这里插入图片描述][20200804214453642.png]
 *  大部分情况下，对象都会首先在Eden区域分配，在一次新生代垃圾回收后，如果对象还活着，则会进入S0活着S1，并且对象的年龄还会加 1(Eden区i>Survivor 区后对象的初始年龄变为1)，当它的年龄增加到⼀定程度（默认为15岁），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 来设置。

### 5.方法区 ###

*  方法区与Java堆一样，是各个线程独享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把⽅法区描述为堆的⼀个逻辑部分，但是它却有⼀个别名叫做 Non-Heap（⾮堆），⽬的应该是与 Java 堆区分开来。
 *  **相对⽽⾔，垃圾收集⾏为在这个区域是很少出现的，但并⾮数据进⼊⽅法区后就“永久存在”了。**

#### 5.1 ⽅法区和永久代的关系 ####

《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，⽽永久代⼀是种实现**，⼀个是标准⼀个是实现，其他的虚拟机实现并没有永久带这⼀说法。

#### 5.2 常⽤参数 ####

*  JDK 1.8 之前永久代还没被彻底移除的时候通常通过下⾯这些参数来调节⽅法区⼤⼩。

-XX:PermSize=N //⽅法区(永久代)初始⼤⼩
    -XX:MaxPermSize=N //⽅法区(永久代)最⼤⼤⼩,超过这个值将会抛出
    OutOfMemoryError异常:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

*  JDK1.8的时候，方法区（HotSpot的永久代）被彻底移除了（JDK1.7的时候就开始了），取而代之的是元空间，元空间使用的是直接内存。  
    下⾯是⼀些常⽤参数：

-XX:MetaspaceSize=N //设置Metaspace的初始（和最⼩⼤⼩）
    -XX:MaxMetaspaceSize=N //设置Metaspace的最⼤⼤⼩

*  **和空间与永久代很大的不同就是，如果不指定大小的话，随着很多类的创建，虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。**

#### 5.3 将永久代替换为元空间的原因 ####

*  整个永久代有一个JVM本身设置固定大小之后，无法进行再次调整，而元空间使用的是直接内存，受本机可用内存的限制，永远不会有java.lang.OutOfMemoryError的错误。
 *  你可以使⽤ -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最⼤元空间⼤⼩，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。 -XX：MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始⼤⼩如果未指定此标志，则 Metaspace *将根据运⾏时的应⽤程序需求动态地重新调整⼤⼩*。  
    当然这只是其中⼀个原因，还有很多底层的原因，这⾥就不再深挖了。

#### 5.4 运行时常量池 ####

*  运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有常量池信息（**用于存放编译器生成的各种字面量个符号引用**）
 *  既然是方法区的一部分，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。
 *  **JDK1.7之后的版本JVM已经将运行时常量池从方法区移了出来，在堆中开辟了一块区域存放运行时常量池。**  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 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，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的使用，原因是NIO这个包，也可能导致OutOfMemoryError异常出现。**
 *  JDK1.4 中新加⼊的 NIO(New Input/Output) 类，引⼊了⼀种基于通道（Channel） 与缓存区（Buffer） 的 I/O ⽅式，它可以直接使⽤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 对象作为这块内存的引⽤进⾏操作。这样就能在⼀些场景中显著提⾼性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。
 *  本机直接内存的分配不会受到 Java 堆以及JVM进程内存大小的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存⼤⼩以及处理器寻址空间的限制。
 *  直接内存使用场景？  
    （1）有很大的数据需要存储，它的生命周期很长。  
    （2）适合频繁的IO操作，例如网络并发场景。  
    （3）直接内存何时回收？ 答：当old区满了 顺便回收直接内存。
 *  直接内存出现OutOfMemoryError的原因是对该区域进行内存分配时，其内存与其他内存加起来超过最大物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致OutOfMemoryError。另外，若我们通过参数“-XX:MaxDirectMemorySize”指定了直接内存的最大值，其超过指定的最大值时，也会抛出内存溢出异常。

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