引言

對(duì)于C++程序員，內(nèi)存分配與回收的處理一直是令人頭疼的問(wèn)題。Java由于自身的自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制，使得管理內(nèi)存變得非常輕松，不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，溢出的問(wèn)題。

不容易不代表不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，一旦內(nèi)存泄漏或溢出的情況發(fā)生，調(diào)試起來(lái)會(huì)變得非常困難。這就要求我們對(duì)虛擬機(jī)的內(nèi)存區(qū)域有深入的理解。最終能夠判斷內(nèi)存方面的異常發(fā)生時(shí)，具體在JVM中的位置。

內(nèi)存區(qū)域

JVM運(yùn)行時(shí)，首先需要類(lèi)加載器(ClassLoader)?加載所需類(lèi)的字節(jié)碼，加載完畢交由執(zhí)行引擎執(zhí)行，執(zhí)行過(guò)程中需要一段空間來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(類(lèi)比CPU與主存)。這段內(nèi)存空間的分配和釋放過(guò)程正是我們所關(guān)心的，稱(chēng)為運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)。

對(duì)于CS相關(guān)從業(yè)者，深入理解操作系統(tǒng)的內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)，分配與垃圾收集過(guò)程都是大有裨益的。同理，欲定位內(nèi)存問(wèn)題的出現(xiàn)區(qū)域，必須剖析運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

如上圖所示，運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)包括：程序計(jì)數(shù)器(即PC寄存器)，Java 虛擬機(jī)棧(VM Stack)，Java 堆(Heap)，方法區(qū)(Method Area)，本地方法棧(Native Method Stack)。下面帶領(lǐng)大家深入理解各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域。

JVM實(shí)際上就是一臺(tái)虛擬的計(jì)算機(jī)，目的是為了實(shí)現(xiàn)"一次編譯，處處執(zhí)行"。所以，在理解運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)時(shí)，完全可以與操作系統(tǒng)系統(tǒng) 內(nèi)存，寄存器類(lèi)比學(xué)習(xí)。

程序計(jì)數(shù)器

每條虛擬機(jī)中的線(xiàn)程都有自己的寄存器，稱(chēng)之為程序計(jì)數(shù)器(PC)。為了保證線(xiàn)程之間的獨(dú)立性，因而PC內(nèi)的空間是線(xiàn)程私有的。

• 線(xiàn)程私有：只能本線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)的區(qū)域，其他線(xiàn)程無(wú)權(quán)訪(fǎng)問(wèn)。

程序計(jì)數(shù)器的作用

虛擬機(jī)中的多線(xiàn)程通過(guò)線(xiàn)程輪轉(zhuǎn)調(diào)度，為每條線(xiàn)程分配時(shí)間片來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行。同一時(shí)刻，處理機(jī)只能執(zhí)行一條線(xiàn)程。當(dāng)切換到另外一條線(xiàn)程時(shí)，若不保存當(dāng)前未執(zhí)行完線(xiàn)程的執(zhí)行位置，下次處理機(jī)再執(zhí)行這條線(xiàn)程時(shí)，又要重新開(kāi)始執(zhí)行。這種情況顯然是不能容忍的。

引入程序計(jì)數(shù)器的目的，就是為了記錄線(xiàn)程的執(zhí)行情況，便于下次切換后進(jìn)行線(xiàn)程恢復(fù)。

程序計(jì)數(shù)器的機(jī)制

如何記錄線(xiàn)程的執(zhí)行情況？ 其實(shí)也并不復(fù)雜，只需要記錄正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址。如果運(yùn)行的是Native(本地)方法，計(jì)數(shù)器的值為Undefined。

程序計(jì)數(shù)器是唯一沒(méi)有OutOfMemoryError異常的區(qū)域。

Java 虛擬機(jī)棧

每個(gè)Java方法執(zhí)行時(shí)，需要分配內(nèi)存空間來(lái)存儲(chǔ)局部變量表，操作數(shù)棧，動(dòng)態(tài)鏈接，方法出口等信息。將這部分內(nèi)存稱(chēng)之為棧幀(Stack Frame)。虛擬機(jī)棧用于存儲(chǔ)棧幀，是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。

顯然我們需要為每個(gè)執(zhí)行的方法分配?？臻g，因此Java虛擬機(jī)棧也是線(xiàn)程私有的。

虛擬機(jī)棧的作用

虛擬機(jī)棧記錄Java方法執(zhí)行的過(guò)程。每個(gè)方法開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，為之創(chuàng)建一個(gè)棧幀記錄信息；方法執(zhí)行到完成的過(guò)程，對(duì)應(yīng)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過(guò)程。

局部變量表

局部變量表是棧幀中的重要部分。存放編譯期定義的基本數(shù)據(jù)類(lèi)型,?對(duì)象引用(相當(dāng)于對(duì)象地址)，及returnAddress類(lèi)型(字節(jié)碼指令地址)。

局部變量表空間在編譯期間分配，執(zhí)行方法的過(guò)程中不會(huì)改變其大小。

異常

當(dāng)線(xiàn)程請(qǐng)求的棧深度大于所允許的深度，拋出StackOverflowError異常。

長(zhǎng)度不夠時(shí)，虛擬機(jī)?？蛇M(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，申請(qǐng)內(nèi)存。若無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，拋出OutOfMemoryError異常。

本地方法棧

本地方法棧與虛擬機(jī)棧類(lèi)似，區(qū)別是虛擬機(jī)棧記錄執(zhí)行的Java方法，本地方法棧則記錄Native方法。

本地方法棧同樣會(huì)拋出StackOverflowError與OutOfMemoryError異常。

Java 堆

Java堆用于存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例，為所有對(duì)象分配內(nèi)存空間。

所有對(duì)象實(shí)例都要在堆上分配空間，因此Java堆是所有線(xiàn)程的共享區(qū)域。對(duì)象的生命周期結(jié)束后，Java堆還要負(fù)責(zé)內(nèi)存回收，因此Java堆也常被稱(chēng)之為GC堆(Garbage Collected Heap)。

內(nèi)存模型

從內(nèi)存回收的角度，Java堆可以分為新生代（Young Generation）與老生代(Old Generation)。這種劃分的方式，是為了更好的回收內(nèi)存(老生代內(nèi)存會(huì)被優(yōu)先回收)。

如圖，新生代還可以分為Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間。

永久代(Permanent Generation)用于存儲(chǔ)靜態(tài)類(lèi)型數(shù)據(jù)，與垃圾收集器關(guān)系不大。

注意：本圖展示的是JVM堆的內(nèi)存模型，JVM堆內(nèi)存包括Java堆區(qū)域?和?永久代區(qū)域。因此，永久代不屬于Java堆。

異常

Java堆同樣可擴(kuò)展(-Xmx與-Xms參數(shù))。若堆中內(nèi)存已無(wú)法為對(duì)象實(shí)例分配且無(wú)法再擴(kuò)展，拋出OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)

方法區(qū)存儲(chǔ)類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)，是線(xiàn)程共享的區(qū)域。為與Java堆區(qū)分，方法區(qū)還有一個(gè)別名Non-Heap(非堆)。

方法區(qū)≠永久代

方法區(qū)就是永久代？并非如此。

HotSpot虛擬機(jī)選擇用永久代來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū)，從而省去了為方法區(qū)編寫(xiě)內(nèi)存管理代碼的工作。這只是一種實(shí)現(xiàn)方式，其他虛擬機(jī)(BEA JRockit，IBM J9)都不存在永久代這一概念。

通過(guò)永久代來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū)容易造成內(nèi)存溢出，未來(lái)也可能會(huì)被替代。

在虛擬機(jī)規(guī)范中，方法區(qū)的實(shí)現(xiàn)沒(méi)有明確的規(guī)定，因此不能將方法區(qū)等同于永久代。

異常

當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿(mǎn)足內(nèi)存分配的需要時(shí)，拋出OutOfMemoryError異常。

運(yùn)行時(shí)常量池

運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime Constant Pool)用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用。

運(yùn)行時(shí)常量池具備動(dòng)態(tài)性，使得運(yùn)行期間也可將新的常量放入池中。例如String類(lèi)的intern()?方法。

package intern;public class Main1 {public static void main(String[] args) {String s0= "I'm coding"; String s1=new String("I'm coding"); String s2=new String("I'm coding"); system.out.println( s0==s1 ); System.out.println( s0==s1.intern()); s2=s2.intern(); System.out.println( s0==s2 ); } }

輸出結(jié)果

false true true

本例中，s0直接保存在常量池，s1與s2的對(duì)象實(shí)例存儲(chǔ)在Java堆中。==直接比較對(duì)象的hashCode，因此第一行輸出false。s1.intern()方法返回s1在常量池中的引用，沒(méi)有則創(chuàng)建。
s1存放的字符串已經(jīng)在常量池中存在，直接返回s0的引用，第二行輸出true。
同理，s2接收了s2.intern()的返回值，字符串值與s0相同，第三行輸出true。

運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，因此受方法區(qū)內(nèi)存的限制。當(dāng)無(wú)法申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)，拋出OutOfMemoryError異常。

總結(jié)

對(duì)于JVM的內(nèi)存管理， 最重要的還是與OS內(nèi)存管理知識(shí)進(jìn)行類(lèi)比以及結(jié)合實(shí)踐來(lái)學(xué)習(xí)。理解JVM內(nèi)存區(qū)域的目的也是為了在工程中出現(xiàn)內(nèi)存相關(guān)異常時(shí)能夠準(zhǔn)確的定位所在區(qū)域，及時(shí)處理。

后續(xù)我們將在本文的基礎(chǔ)上來(lái)理解對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程以及OutOfMemoryError異常。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的走进JVM【二】理解JVM内存区域的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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