《深入理解Java虚拟机》读后笔记-运行时数据区域

系统管理员 2023-10-01 11:21 10阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  《深入理解Java虚拟机》读后笔记-运行时数据区域
 *   *  1.程序计数器
     *  2.Java虚拟机栈
     *  3.本地方法栈
     *  4.Java堆
     *  5.方法区
     *  6.运行时常量池
     *  7.直接内存

## 《深入理解Java虚拟机》读后笔记-运行时数据区域 ##

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。这些区域有各自的用途，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一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如图：

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### 1.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**。

*  在Java虚拟机的概念模型里，**字节码解释器工作时就是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**，它是程序控制流的指示器，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。
 *  在多线程环境下，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，**每条线程都需要有一个独立的程序计数器**，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为**线程私有**的内存
 *  如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。**如果正在执行的是本地(Native)方法，这个计数器值则应为空(Undefined)。**
 *  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.Java虚拟机栈 ###

Java虚拟机栈与程序计数器一样，也是**线程私有**的，它的**生命周期与线程相同**。

*  虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候Java虚拟机都会同步创建一个**栈帧** (Stack Frame)用于**存储局部变量表**、**操作数栈**、**动态连接**、**方法出口**等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
 *  **局部变量表**存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型(`boolean`、`byte`、`char`、`short`、`int`、`float`、`long`、`double`)、对象引用(reference类型)和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。
 *  这些数据类型在局部变量表中的存储空间以**局部变量槽**(Slot）来表示，其中64位长度的`long`和`double`类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。
 *  **局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配**，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，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。这里说的“大小”是指变量槽的数量。
 *  在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：
    
    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`异常。

### 3.本地方法栈 ###

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只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 ###

Java堆对于Java应用程序来说\*\*，是虚拟机所管理的内存中最大的一块\*\*。Java堆是被所有**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\*\*，Java世界里几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

*  Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此一些资料中它也被称作**GC堆**
 *  如果从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的**分配缓冲区**(Thread Local Allocation Buffer，`TLAB`)，以提升对象分配时的效率
 *  **Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中**，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。
 *  **Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的**，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-`Xmx`和`-Xms`设定)。
 *  如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出`OutOfMemoryError`异常。

### 5.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型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据**。

方法区只是一个抽象概念，其具体实现是通过以下 2 种方式：

*  JDK7之前：**永久代**，使用的**堆内存**
 *  JDK8之后：**元空间**，使用的**本地内存**

具体过程变更过程：

1.  在`JDK 6`的时候HotSpot开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存来实现方法区的计划了。
2.  到了`JDK 7`的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出。
3.  而到了`JDK 8`，终于完全废弃了永久代的概念，改用在本地内存中实现的元空间来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

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根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出`OutOfMemoryError`异常。

*  1.8以前会导致**永久代**内存溢出`java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space`
 *  1.8以后会导致**元空间**内存溢出`java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace`

### 6.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**常量池表**(Constant Pool Table)，**用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中**
 *  不同提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域，不过一般来说，**除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把由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征是具备动态性**，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，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比较多的便是String类的`intern()`方法。
 *  既然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。

### 7.直接内存 ###

直接内存(`Direct Memory`)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。

*  这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致`OutOfMemoryError`异常出现。
 *  在JDK 1.4中新加入了`NIO` (New Input/Output〉类，引入了一种基于通道(Channel〉与缓冲区(Buffer）的IO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`堆里面的`DirectByteBuffer`对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能因为避免了在`Java`堆和`Native`堆中来回复制数据。

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