深入理解JVM（③）JVM运行时数据区域

前言

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机，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。Java虚拟机将其管理的内存分为以下几个运行时区域。

 

 

Java虚拟机运行时数据区域

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虚拟机的多线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）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额虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个技术器值则应为空（Undefined）。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）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道出栈的过程。

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，它并不等同于对象本身，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者其他与此对象相关的位置）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。而虚拟机真正使用多大的内存空间来实现一个变量槽，是完全由具体的虚拟机实现自行决定的（譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特，或者更多）。

在《Java虚拟机规范》中对这个内存区域规定了两类一次状况：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，就会抛出outofMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，区别在于虚拟机栈是虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机栈使用到的本地（Native）方法服务（HotSpot虚拟机直接把本地方法栈与虚拟机栈合二为一了）。并且与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度移除或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块，并且是被所有线程共享的一个块内存区域，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。

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。根据《Java虚拟机规范》的规定，Java对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。有些情况，例如处理大对象（典型的数组对象）时，多数虚拟机实现考虑到实现简单，存储高效等因素，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-Xmn和-Xns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。

方法区

方法区（Method Area）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。

说到方法区，不得不提一些“永久代”这个概念，尤其是在JDK8以前，许多Java程序员都习惯在HotSpot虚拟机上开发，部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为“用久代”（Permanent Generation）,或者将两者混为一谈。但两者是不等价的，因为HotSpot虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，所以使用永久代来实现方法区。这样使得垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，永久代是HotSpot虚拟机（JDK8之前）特有的机制，其他虚拟机并不存在这个概念（例如JRockit、J9）。

在后续的发展中，HotSpot团队意识到永久代的设计并不是一个好主意，所以为了HotSpot虚拟机未来更好的发展，在JDK6的时候HotSpot团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了，到了JDK7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，而到了JDK8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Meta space）来代替，把JDK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。

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。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了又类的版本、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放到方法区的运行时常量中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的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，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。

运行时常量池无法申请到内存时也是会抛出OutOfMemoryError异常。

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。但是这部分内存也被频繁地使用，二期也可能导致OutOfMenmoryError异常出现，所以也是要熟悉的。

在JDK1.4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。

在配置虚拟机内存的时候，除了要考虑本机的物理内存外，还需要将直接内存考虑到。经常遇到有些开发者在设置内存时忽略了直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMenoryError异常。

 

这次是因为《深入理解Java虚拟机》这本书的第三版出来了，所以决定再刷一边这本书，然后用此博客来记录一下，也当是做个纪念了。

上述内容来着自己对《深入理解Java虚拟机（第三版）》这本书中的一部分总结。