java架构师 JVM性能优化之 java内存结构概述

红太狼 2023-06-28 11:25 13阅读 0赞

## 1、java内存结构 ##

java虚拟机在执行java程序的过程中，将它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，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，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。java虚拟机管理的内存分为如下图所示的运行时数据区。

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### 1.1 堆 ###

java堆是java虚拟机所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，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。

java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被成为“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从内存回收角度来看java堆可分为：新生代和老生代。从内存分配的角度看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。无论怎么划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都是对象实例，进一步的划分都是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。

根据Java虚拟机规范的规定，java堆可以处于物理上不连续的内存空间中。当前主流的虚拟机都是可扩展的（通过 -Xmx 和 -Xms 控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

### 1.2 方法区 ###

方法区与java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。它有个别命叫Non-Heap（非堆）。当方法区无法满足内存分配需求时，抛出OutOfMemoryError异常。

**1.2.1 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，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

### 1.3 虚拟机栈 ###

java虚拟机是线程私有的，它的生命周期和线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

常说的堆内存、栈内存中，栈内存指的就是虚拟机栈。局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（8个基本数据类型）、对象引用（地址指针）、returnAddress类型。

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配。在运行期间不会改变局部变量表的大小。

这个区域规定了两种异常状态：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，则抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，在扩展是无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

### 1.4 本地方法栈 ###

本地方法栈与虚拟机栈所发挥作用非常相似，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的native方法服务。本地方法栈也是抛出两个异常。

### 1.5 程序计数器 ###

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

由于Java虚拟机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，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都有一个独立的程序计数器，各个线程之间计数器互不影响，独立存储。称之为“线程私有”的内存。程序计数器内存区域是虚拟机中唯一没有规定OutOfMemoryError情况的区域。

### 1.6 直接内存 ###

直接内存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。但这部分区域也呗频繁使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常

在JDK1.4中新加入的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对象作为这块内存的引用进行操作。

### 1.7 执行引擎 ###

虚拟机核心的组件就是执行引擎，它负责执行虚拟机的字节码，一般户先进行编译成机器码后执行。

### 1.8 垃圾回收系统 ###

垃圾收集系统是Java的核心，也是不可少的，Java有一套自己进行垃圾清理的机制，开发人员无需手工清理。

## 2、JVM的主要组成部分及作用 ##

### 2.1 主要组成部分 ###

◆  类加载器
    ◆  运行时数据区
    ◆  执行引擎
    ◆  本地库接口

### 2.2 各个组成部分的作用 ###

java代码的编译及运行过程：首先通过类加载器会把java代码转换成字节码，运行时数据区再把字节码加载到内存中，而字节码文件只是jvm的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器执行引擎，将字节码翻译成底层系统指令，在交由CPU去执行，而这个过程需要调用本地库接口来实现整个程序的功能。

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