Java 虚拟机内存区域划分详解(1)

背景

JVM已经是Java开发的必备技能了,JVM相当于Java的操作系统。

JVM,java virtual machine, 即Java虚拟机,是运行java class文件的程序。

Java代码经过Java编译器编译,会编译成class文件,一种平台无关的代码格式,class文件按照JVM规范,包括了java代码运行所需的元数据和代码等内容。JVM加载class文件后,就可以执行java代码了。

JVM有不同的实现,有我们熟悉的Hotspot虚拟机,JRockit等。在各个操作系统上,又回有各自的虚拟机实现,从而形成了Java代码 > class文件 > JVM规范 > JVM实现的层次。再加上其他语言如scala、groovy也能够生成class文件,这样不仅实现了平台无关性,也实现了语言无关性。

一、概述

对于 C 和 C++程序开发的开发人员来说,在内存管理领域,程序员对内存拥有绝对的使用权,但是也要主要到正确的使用和清理内存,这就要求程序员有较高的水平。

而对于 Java 程序员来说,在虚拟机的自动内存管理机制的帮助下,不再需要为每一个 new 操作去写配对的 delete/free 代码,而且不容易出现内存泄漏和内存溢出问题,看起来由虚拟机管理内存一切都很美好。不过,也正是因为 Java 程序员把内存控制的权力交给了 Java 虚拟机,一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题,如果不了解虚拟机是怎样使用内存的,那排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

二、Java运行时数据区域 我们一般在开发中认为JVM不过有堆和栈两部分组成,但是实际的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。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。如下图:

另一个图也可以说明:

下边是网上摘下来的图,仅供参考:

接下来详细解说上图中的各区域的功能:

(1)程序计数器

如果学习过计算机组成原理的应该很清楚,程序计数器就相当于身份证一样,由于JVM也有自己的CPU,在执行多线程程序的时候,通过时间片轮转的方式,根据程序计数器来调度线程的执行。 程序计数器( Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里(仅是概念模型,各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现),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。 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(对于多核处理器来说是一个内核)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,各条线程之间的计数器互不影响,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 Natvie 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。

(2)Java 虚拟机栈

与程序计数器一样, Java 虚拟机栈( Java Virtual Machine Stacks)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 方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧( Stack Frame①)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被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从入栈到出栈的过程。

经常有人把 Java 内存区分为堆内存( Heap)和栈内存( Stack),这种分法比较粗糙, Java 内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”在后面会专门讲述,而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型( boolean、 byte、 char、 short、 int、 float、long、 double)、对象引用( reference 类型,它不等同于对象本身,根据不同的虚拟机实现,它可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能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)。

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。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

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;如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的 Java 虚拟机都可动态扩展,只不过 Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈),当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

(3)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,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的 Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如 Sun HotSpot 虚拟机)直接就把本地方法 栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError 和OutOfMemoryError 异常。

(4)Java 堆

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都在这里分配内存。这一点在 Java 虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着 JIT 编译器的发展与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,因此很多时候也被称做“GC 堆( ” Garbage Collected Heap,幸好国内没翻译成“垃圾堆”)。如果从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法,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。如果从内存分配的角度看,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)。不过,无论如何划分,都与存放内容无关,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。在本章中,我们仅仅针对内存区域的作用进行讨论, Java 堆中的上述各个区域的分配 和回收等细节将会是下一章的主题。

根据 Java 虚拟机规范的规定, 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,就像我们的磁盘空间一样。在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx 和-Xms 控制)。如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

(5)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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。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 Non-Heap(非堆),目的应该是与 Java 堆区分开来。

Java 虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松,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。这个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有必要的。

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。

(6)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、接口等描述等信息外,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存放到方法区的运行时常量池中

Java 虚拟机对 Class 文件的每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格的规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求,这样才会被虚拟机认可、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能在编译期产生,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,自然会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。

(7)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。

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。

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,则肯定还是会受到本机总内存(包括 RAM 及 SWAP 区或者分页文件)的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时,一般会根据实际内存设置-Xmx 等参数信息,但经常会忽略掉直接内存,使得各个内存区域的总和大于物理内存限制(包括物理上的和操作系统级的限制),从而导致动态扩展时 出现 OutOfMemoryError 异常。

<End>

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原文发表时间:2016-10-09

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