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要点提炼| 理解JVM之内存管理

java架构 2018-06-30

本系列专题的第二个板块“理解JVM”是对周志明老师的《深入理解Java虚拟机》著作的学习和扩展,也是在春招过程中发现自己Java基础的不足,特意精选了几个重要知识点进行总结。现在先从非常重要的内存管理开始吧~

本篇将了解JVM内存是如何划分的,以及每个区域的具体内容。

  • 概述

  • JVM内存区域划分

  • 操作系统内存与JVM内存

1.概述

Java与C++之间有一堵由 内存动态分配 和 垃圾回收机制 所围成的高墙,墙外面的人想进去,墙里面的人出不来。

必要性:虽然JVM有自动内存管理机制,不需要人为地给每一个new操作写配对的delete/free代码,不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。然而一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题,如果不清楚JVM内存的内存管理机制,那么将很难定位与解决问题。

2.JVM内存区域划分

JVM执行Java程序的过程:Java源代码文件(.java)会被Java编译器编译为字节码文件(.class),然后由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件,加载完毕之后,交由JVM执行引擎执行。

在上述过程中,JVM会用一段空间来存储执行程序期间需要用到的数据和相关信息,这段空间就是 运行时数据区(Runtime Data Area) ,也就是常说的JVM内存。JVM会将它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域,划分结果如图:

可见,运行时数据区被分为 线程私有数据区 和 线程共享数据区 两大类:

  • 线程私有数据区包含:程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈

  • 线程共享数据区包含:Java堆、方法区(内部包含常量池)

接下来分别介绍:

a.程序计数器(Program Counter Register)

  • 是 当前线程 所执行的字节码的行号指示器。

    • 如果线程正在执行的是一个Native方法,那么计数器的值则为 空 。

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,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。

  • 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,因此它是线程 私有 的内存。

  • 在Java虚拟机规范中,是 唯一一个没有 规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

b.Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

  • 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,用于存储 局部变量表 、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

    • 每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用类型和returnAddress类型,它所需的内存空间在 编译 期间完成分配。

  • 是线程私有的内存,与线程生命周期相同。

  • 一般把Java内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),其中『栈』指的是虚拟机栈,『堆』指的是Java堆。

  • 在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常状况:

    • 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;

    • 如果虚拟机栈可动态扩展且扩展时 无法 申请到足够的内存,将抛出OutOfMemoryError异常。

c.本地方法栈(Native Method Stack)

  • 是虚拟机使用到的 Native方法 服务。

  • 在虚拟机规范中,对这个区域无强制规定,由具体的虚拟机自由实现。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

d.Java堆(Java Heap)

  • 用于存放几乎所有的对象实例和数组。

  • 被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。

在Java堆中,可能划分出多个 线程私有 的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB),但无论哪个区域,存储的都仍然是对象实例,进一步划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。

  • 是垃圾收集器管理的主要区域,也被称做“GC堆”。

  • 是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。

  • 在Java虚拟机规范中,如果在堆中没有内存完成实例分配,且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

e.方法区(Method Area)

  • 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。

  • 与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域。

  • 人们更愿意把这个区域称为 “永久代”(Permanent Generation) ,在发布的JDK1.7的HotSpot中,已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。它还有个别名叫做 Non-Heap(非堆)。

  • 在Java虚拟机规范中,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

f.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(Constant Pool Table) ,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

  • 相对于Class文件常量池的重要特征是具备 动态性 ,体现在并非只有预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中。

  • 是方法区的一部分,会受到方法区内存的限制。

  • 在Java虚拟机规范中,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

推荐阅读: JVM内存溢出详解(栈溢出,堆溢出,持久代溢出、无法创建本地线程)

3.操作系统内存与JVM内存

从上图可见操作系统内存和JVM内存的联系:

操作系统分为栈和堆:

  • 栈 由操作系统管理,并由操作系统自动回收。

    • JVM本地方法栈使用的是操作系统的栈。

  • 堆 由用户分配使用。

    • 除JVM本地方法栈以外的JVM内存使用的操作系统的堆,以防JVM分配的内存被操作系统回收。

图片来源: JVM内存管理—运行时内存区域


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