Java虚拟机的运行时数据区

￡神魔★判官ぃ 2023-09-23 16:46 85阅读 0赞

![format_png][]

## 一、前言 ##

程序都是运行在内存里的，所以对于一门开发语言来说，对于内存的管理都是重中之重的，前有C、C++需要开发者管理内存，后有Java的自动内存管理，到如今的内存安全的Rust。

## 二、运行时数据区概览 ##

Java虚拟机在运行Java程序时会把其管理的内存划分为若干个区域。这些区域有些是随着Java虚拟机进程的启动而一直存在，有的区域是依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁。在《Java虚拟机规范》中的规定，Java虚拟机所管理的区域如下：

![format_png 1][]

Java是支持多线程编程的，数据共享区域就是运行中的Java程序中的线程都可以访问的区域。反之，数据隔离区域线程私有的区域，每个线程都有的一块区域。

## 三、各运行数据区介绍 ##

### 3.1 程序计数器 ###

线程私有的一个区域，是一块较小的内存区域，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。程序计数器指向下一条需要执行的字节码执行，是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程回复等功能都需要依赖程序计数器来完成。

我们都知道多线程并发处理其实就是多个线程之间轮流切换，分配CPU的执行时间。在任何一个时刻一个处理器只会执行一个线程中的指令。因此在多个线程之间切换时，需要保留被切走的线程的执行现场，为了就是让这个线程重新得到CPU的执行时间时可以恢复到正确的执行位置，所以每个线程需要有一个独立的程序计数器，各个线程之间互不影响，独立存储。所以说程序计数器这块区域是“线程私有的”。

### 3.2 Java虚拟机栈 ###

同样也是线程私有的内存区域，Java里面每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会创建一个栈帧用于存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。一个方法的调用到结束就是对应一个栈帧在Java虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表中存放了编译期间可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAddress类型。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，在方法的运行期间不会改变局部变量表的大小。这里的"大小"指的是变量槽的数量，每个槽的大小是由虚拟机实现的，譬如按照一个槽32bit或64bit甚至更大。

《Java虚拟机规范》中规定了Java虚拟机栈的两类异常情况：

1、如果线程的请求的栈深度大于java虚拟机栈的深度将抛出StackOverflowError异常，如太深的递归容易导致此异常。

2、如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError

### 3.3 本地方法栈 ###

与Java虚拟机栈的作用相似，其区别在于Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务的，而本地方法是为虚拟机使用到的本地方法服务的。在jdk源码中以`native`修饰就是本地方法，具体以对应的虚拟机来实现。例如：`sun.misc.Unsafe`里的很多方法就是本地方法。

《Java虚拟机规范》中没有规定本地方法栈使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何的强制限制，因此具体的虚拟机可以自由的实现，例如Hot-Spot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一，所以也会像虚拟机栈一样会抛出stackOverflowError和OutOfMemotyError异常。

### 3.4 Java堆 ###

虚拟机管理的内存中最大的一块，也是我们Java开发者最为关注的一块内存区域。Java堆是线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动的时候创建，用于存放对象实例，Java中几乎所有的对象实例都在这里分配内存。由于即时编译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换优化手段导致一些微妙的变化发生，所以说Java对象示例都在对上分配已经渐渐变得不是那么绝对。

以G1垃圾收集器为分界：

*  Hot-Spot虚拟机在G1垃圾收集器之前，垃圾收集都是分代收集，因此堆内存又被划分为老年代和新生代，默认老年代占堆空间的2/3，新生代占1/3。其中新生代又被划分为Eden和Survivor区，其中Survivor是由两个大小相等的区域组成：form和to。可以说G1之前的垃圾收集器都说是基于分代来设计的，需要新生代、老年代的收集器搭配才能工作。

![format_png 2][]

*  G1出现之后，边不再区分新生代和老年代，Java堆使用同一个垃圾收集器

在《Java虚拟机规范》中规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间上，但逻辑上应该是连续的。但是对于大对象，大多数虚拟机出于实现简单、存储高效的考虑，很有可能要求连续的内存空间。

Java堆的大小被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前的主流的Java虚拟机都是可扩展来实现的，通过-Xmx和-Xms设置。如果Java堆中没有了内存可以分配给示例，并且堆无法扩展时，会抛出OutOfMemoryError的异常，也就是常说的OOM。

### 3.5 方法区 ###

线程共享的一个内存区域，用于存储被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译后的代码缓存等数据。

在JDK8之前，HotSpot虚拟机把垃圾收集器的分代设计扩展到了方法去，使用永久代来实现方法区。所以在JDK8之前会称方法区为永久代。这样做的原因是，这样做HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样来管理这块内存区域。但是其他的Java虚拟机是没有永久代这一个概念的。

到了JDK6后，HotSpot虚拟机便放弃了使用永久代来实现方法区，而是使用本地内存来实现方法区，到了JDK7把原来放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出（移到Java堆），而到了JDK8完全废弃了永久代的概念，改用像JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间来替代永久代。并且把JDK7中永久代剩下的内用全部移到元空间，这部分的内容主要是类型信息。

在《Java虚拟机规范》中的规定，对于方法区和Java堆一样不一定需要连续的内存和可以选择固定大小或者扩展外。甚至方法区还可以选择不实现垃圾收集。垃圾收集在方法区上是比较少出现的。方法区的回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。同时也规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

### 3.6 运行时常量池 ###

运行时常量池属于方法区的一部分。Class文件的类版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池表，用于存放编译期生成的各种**字面量**和**符号引用**，这部分内用将在类加载后存放在方法区的运行时常量池中。

一般来说出来保存Class文件中描述的符号引用外，还会把符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特性就是具备动态性，Java语言不要求常量只有编译器才能产生，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得最多的时String类的`intern()`方法。

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。

### 3.7 直接内存 ###

直接内存并不是Java虚拟机运行时数据区的一部分，也不在《Java虚拟机规范》中定义的区域。但是这一块区域也是被频繁使用，同时也有可能导致OutOfMemoryError异常。

在JDK1.4中加入了NIO，引入了基于通道(Channel)与缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数直接分配对外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块堆外内存的引用进行操作。以此来提升I/O性能，避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

本机直接内存的分配不会收到Java堆大小的限制，但是使用的内存，所以会本机的总内存大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存区设置Xmx等参数，但经常会忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存本身，从而导致动态扩容的时候出现OOM。

[format_png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/8cbe17e01b77513ab19cb160df17a5b6.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/c8a3d27b11ffae389b24e3cd6572c12e.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/6f330a35f7ce1c98ea96c6d509507c61.webp?x-oss-process=image/format,png