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JVM内存结构

2021/8/20 11:16:27 浏览:

        

参考:

丑胖侠二师兄: JVM之内存结构图文详解

丑胖侠二师兄: 面试官,Java8 JVM内存结构变了,永久代到元空间

czwbig: Java内存区域和内存模型

javaGuide: 【修订完善版】面试又被 JVM 内存区域虐了?推荐你看看这篇文章!

一. Java运行时数据区域

JDK 1.8 之前: JDK 1.8 :

说明:

  • JVM分为五个区域:虚拟机栈、本地方法栈、方法区(在元数据区中)、堆、程序计数器。
  • JVM五个区中 虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器 为 线程私有, 方法区 和 堆 为 线程共享区
  • JVM不同区域的占用内存大小不同,一般情况下堆最大,程序计数器较小。
  • JDK1.8之后方法区的实现是元空间。

程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)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,在任何一个确定的时刻,一个处理器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虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是 Native 方法,这个计数器值则为空(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

虚拟机栈

虚拟机栈线程私有,生命周期与线程相同。

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,是方法运行时的基础数据结构)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。

在活动线程中,只有位于栈顶的帧才是有效的,称为当前栈帧。正在执行的方法称为当前方法,栈帧是方法运行的基本结构。在执行引擎运行时,所有指令都只能针对当前栈帧进行操作。

  1. 局部变量表

    局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference 类型,它不同于对象本身,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其他与此对象相关的位置)。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(Slot),其余的数据类型只占用1个。

    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;如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

  2. 操作栈

    操作数栈(Operand Stack)也称作操作栈,是一个后入先出栈(LIFO)。随着方法执行和字节码指令的执行,会从局部变量表或对象实例的字段中复制常量或变量写入到操作数栈,再随着计算的进行将栈中元素出栈到局部变量表或者返回给方法调用者,也就是出栈/入栈操作。

    i++ 和 ++i 的区别:

    • i++:从局部变量表取出 i 并压入操作栈(load memory),然后对局部变量表中的 i 自增 1(add&store memory),将操作栈栈顶值取出使用,如此线程从操作栈读到的是自增之前的值。

    • ++i:先对局部变量表的 i 自增 1(load memory&add&store memory),然后取出并压入操作栈(load memory),再将操作栈栈顶值取出使用,线程从操作栈读到的是自增之后的值。

  3. 动态链接

    每个栈帧中包含一个在常量池中对当前方法的引用, 目的是支持方法调用过程的动态连接。

  4. 方法返回地址

    无论方法是否正常完成,都需要返回到方法被调用的位置,程序才能继续进行。

本地方法栈

本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈作用相似,也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(字节码)服务,而本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法服务。

堆(Heap)

对于大多数应用来说,Java 堆(Java Heap)是 Java 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,几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

因为堆占用内存空间最大,堆也是Java垃圾回收的主要区域(重点对象),因此也称作“GC堆”(Garbage Collected Heap)。而现代收集器基本都采用分代收集算法,所以 Java 堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有 Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等。。从内存分配的角度来看,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(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。

Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可.

堆这里最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误,并且出现这种错误之后的表现形式还会有几种,比如:

  1. moryError: GC Overhead Limit Exceeded :当JVM花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时,就会发生此错误。
  2. java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space :假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 错误。(和本机物理内存无关,和你配置的对内存大小有关!)

方法区

方法区与堆有很多共性:线程共享、内存不连续、可扩展、可垃圾回收,同样当无法再扩展时会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区个性化的是,它存储的是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。

方法区的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载,一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻,但是回收确实是有必要的。

  • 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。

    一般来说,除了保存 Class 文件中描述的符号引用外,还会把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,运行期间也可能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。

    JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来,在 Java 堆(Heap)中开辟了一块区域存放运行时常量池。

二. 永久代与元空间

JDK8 之前,Hotspot 中方法区的实现是永久代(Perm),JDK8 开始使用元空间(Metaspace),以前永久代所有内容的字符串常量移至堆内存,其他内容移至元空间,元空间直接在本地内存分配。

在Java7及以前的版本中中方法区位于永久代中。同时,永久代和堆是相互隔离的,但它们使用的物理内存是连续的。永久代的垃圾收集是和老年代捆绑在一起的,因此无论谁满了,都会触发永久代和老年代的垃圾收集。

在Java8中,元空间(Metaspace)登上舞台,方法区存在于元空间(Metaspace)。同时,元空间不再与堆连续,而且是存在于本地内存(Native memory)。

永久代为什么被替换了

  1. 字符串存在永久代中,容易出现性能问题和内存溢出。
  2. 类及方法的信息等比较难确定其大小,因此对于永久代的大小指定比较困难,太小容易出现永久代溢出,太大则容易导致老年代溢出。
  3. 永久代会为 GC 带来不必要的复杂度,并且回收效率偏低。
  4. 将 HotSpot 与 JRockit 合二为一。

三.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。

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO,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。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。

显然,本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制,但是,既然是内存,肯定还是会受到本机总内存(包括 RAM 以及 SWAP 区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时,会根据实际内存设置 -Xmx 等参数信息,但经常忽略直接内存,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 OutOfMemoryError 异常。

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