JVM内存区域介绍

JVM内存区域介绍

众所周知,对于C/C++程序员来说,他们即拥有内存管理上的最高权力, 也需要对一个对象从创建到消亡的整个生命周期负责到底。然而对于Java程序员来说,通常情况下我们无需对内存管理进行干预,底层虚拟机的垃圾回收机制和内存分配算法很好的管理了对象的创建和消亡过程。但是如果我们了解一些Java底层虚拟机内存分配机制，对解决程序内存方面遇到的一些异常是会有很大帮助的。

Java虚拟机在执行java程序时,将其管理的内存分成了不同的区域,这些区域有着不同的用途、不同的创建时间和销毁时间。有些区域随着java虚拟机进程的启动而存在,有些则随着用户线程的启动而创建,线程结束而销毁。根据java虚拟机规范里的描述,Java虚拟机内存区域大体分为如下几块：



程序计数器

程序计数器是虚拟机内存区域中占用很小的一块区域, 是线程私有的,跟随线程的生命周期。

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来实现的，在任何时刻对于一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)而言只能执行一个线程的指令,在线程切换的时候其实是通过各自的程序计数器中的信息来记录当前执行位置的。所以说,程序计数器是线程的私有财产。

如果线程执行的是java方法,则程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果执行的是native方法, 则计数器的值是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。

Java虚拟机栈

Java虚拟机栈和程序计数器一样,也是线程私有的,生命周期跟随线程。虚拟机栈保存的是java方法的内存模型:每个方法在执行时都会创建一个栈帧，用来保存局部变量表、操作数栈、动态链接库、方法出口等信息。每个方法的执行都对应一个栈帧从java虚拟机栈中入栈和出栈的过程。

有人把java虚拟机内存划分为堆和栈这两大块,其实java虚拟机内存区域划分远比这复杂得多, 只能说大部分程序员只关注到了他们常用的内存区域。其中的“栈”其实只能说是我们现在在介绍的Java虚拟机栈,或者说是Java虚拟机栈中的局部变量表的部分。

局部变量表存放了编译期间各种基本数据类型(byte、short、int、long、float、double、char、boolean)、对象引用(reference类型，它不等同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针, 也可能是对象的一个句柄或者其他与此对象相关的位置)和returAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。

其中64位的long和double类型的数据占用2个局部变量的空间，其他类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译时需要完成分配，当进入一个方法时,这个方法需要在帧上分配多大的局部变量空间是早就确定的,在运行期间不会改变局部变量表的空间大小。

Java虚拟机规范中对该内存区域定义了两种异常情况：如果线程请求的栈的深度大于当前的深度,则虚拟机会抛出栈溢出异常(StackOverflowError); 如果虚拟机栈允许动态扩展, 当扩展时若内存不足则会抛出内存溢出异常(OutOfMemoryError)。

本地方法栈

本地方法栈和java虚拟机栈其实是完全一样的，只不过是Java虚拟机栈中针对是java的方法(字节码)服务的，而本地方法栈是java调用native方法服务的。Java虚拟机没有规定本地方法栈的语言、使用方式和数据结构,因此不同的虚拟机可以对其进行不同的实现。甚至有些虚拟机(比如Sun的hot spot虚拟机)就将本地方法栈和java虚拟机栈合二为一了。本地方法栈也会抛出OutofMemoryError和StackOverflowError。

Java堆

对于大多数Java应用来说,Java堆是Java虚拟机管理的最大的一块内存区域了。Java堆是被所有内存共享的一块区域, 在虚拟机进程创建的时候创建。此内存区域的唯一目的是存放对象实例，几乎所有的对象和数组都在堆上被创建和分配内存。Java虚拟机规范中声称:所有的对象和数组实例对象都在Java堆上完成创建和分配。其实随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术的逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域, 简称GC堆。根据垃圾收集器的分代收集算法，可以将GC堆细分为新生代、老年代。更细一点则划分为Eden空间、From Survivor空间和To Survivor空间等。从内存分配的角度，Java堆还可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Tread Local Allocation Buffer 简称TLAB)，这只是为了方便垃圾收集器进行更好更快的内存回收管理,对具体存放内容无任何影响，存放的仍是对象实例。

根据Java虚拟机规范的规定: Java堆可以存在不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现上,可以是固定大小，也可以是可扩展的。目前大多数Java虚拟机都将Java堆空间做成可扩展的了(通过-Xmx和-Xms实现)。当对象实例创建时若空间不够则抛出OutofMemoryError。

方法区

方法区和堆一样,也是线程共享的内存区域, 用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态常量、即时编译器变异后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做(非堆)， 目的应该是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机下开发和部署程序的开发者来说,更愿意把方法区称作永久代。本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot的设计团队将GC分代收集扩展到了方法区, 更加，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存,能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在永久代的概念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代来实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题（永久代有-XX：MaxPermSize的上限，J9和JRockit只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系统中的4GB，就不会出现问题），而且有极少数方法（例如String.intern（））会因这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。因此，对于HotSpot虚拟机，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并逐步改为采用Native Memory来实现方法区的规划了，在目前已经发布的JDK 1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区域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，但是这部分区域的回收确实是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量区

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。

Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的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。

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，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以我们放到这里一起讲解。

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。

注： 本文基本来源于周志明老师的书籍《深入理解Java虚拟机》