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Android 字节跳动技术二面:程序运行时,内存到底是如何进行分配的?

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Android技术干货分享
修改2020-11-09 18:12:06
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程序运行时,内存到底是如何进行分配的?

很多人将 Java 的内存分为堆内存(heap)和栈内存(Stack),这种划分方式在一定程度上体现了这两块区域是 Java 工程师最关注的内存区域,但是其实这种划分方式并不完全准确。

一、程序计数器(Program Counter Register)

当某一个线程被 CPU 挂起时,需要记录代码已经执行到的位置,方便 CPU 重新执行此线程时,知道从哪行指令开始执行,这就是程序计数器的作用。

实际上除了恢复线程操作之外,其它一些我们熟悉的分支操作、循环操作、跳转、异常处理等也都需要依赖这个计数器来完成。

关于程序计数器还有几点需要格外注意:

  • 在 Java 虚拟机规范中,对程序计数器这一区域没有规定任何 OutOfMemoryError 情况(或许是感觉没有必要吧)。
  • 线程私有的,每条线程内部都有一个私有程序计数器。它的生命周期随着线程的创建而创建,随着线程的结束而死亡。
  • 当一个线程正在执行一个 Java 方法的时候,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)。

二、虚拟机栈

虚拟机栈也是线程私有的,与线程的生命周期同步。

在 Java 虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常状况:

  1. StackOverflowError:当线程请求栈深度超出虚拟机栈所允许的深度时抛出。
  2. OutOfMemoryError:当 Java 虚拟机动态扩展到无法申请足够内存时抛出。

JVM 是基于栈(就是指虚拟机栈)的解释器执行的,DVM 是基于寄存器解释器执行的。

虚拟机栈的初衷是用来描述 Java 方法执行的内存模型,每个方法被执行的时候,JVM 都会在虚拟机栈中创建一个栈帧。

1. 栈帧

栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构,每一个线程在执行某个方法时,都会为这个方法创建一个栈帧。

我们可以这样理解:一个线程包含多个栈帧,而每个栈帧内部包含局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址等。如下图所示:

  • 局部变量表

局部变量表是变量值的存储空间,我们调用方法时传递的参数,以及在方法内部创建的局部变量都保存在局部变量表中。在 Java 编译成 class 文件的时候,就会在方法的 Code 属性表中的 max_locals 数据项中,确定该方法需要分配的最大局部变量表的容量。

使用 javap -v 反编译 注意:系统不会为局部变量赋予初始值(实例变量和类变量都会被赋予初始值),也就是说不存在类变量那样的准备阶段。

  • 操作数栈

操作数栈(Operand Stack)也常称为操作栈,它是一个后入先出栈(LIFO)。

同局部变量表一样,操作数栈的最大深度也在编译的时候写入方法的 Code 属性表中的 max_stacks 数据项中。栈中的元素可以是任意Java数据类型,包括 long 和 double。

  • 动态链接

动态链接的主要目的是为了支持方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)。

在一个 class 文件中,一个方法要调用其他方法,需要将这些方法的符号引用转化为其所在内存地址中的直接引用,而符号引用存在于方法区中。

  • 返回地址

无论当前方法采用正常退出或异常退出,在方法退出后都需要返回到方法被调用的位置,程序才能继续执行。而虚拟机栈中的“返回地址”就是用来帮助当前方法恢复它的上层方法执行状态。

一般来说,方法正常退出时,调用者的 PC 计数值可以作为返回地址,栈帧中可能保存此计数值。而方法异常退出时,返回地址是通过异常处理器表确定的,栈帧中一般不会保存此部分信息。

三、本地方法栈

本地方法栈和上面介绍的虚拟栈基本相同,只不过是针对本地(native)方法。在开发中如果涉及 JNI 可能接触本地方法栈多一些,在有些虚拟机的实现中已经将两个合二为一了(比如HotSpot)。

四、堆

Java 堆(Heap)是 JVM 所管理的内存中最大的一块,该区域唯一目的就是存放对象实例,几乎所有对象的实例都在堆里面分配,因此它也是 Java 垃圾收集器(GC)管理的主要区域,有时候也叫作“GC 堆”。同时它也是所有线程共享的内存区域,因此被分配在此区域的对象如果被多个线程访问的话,需要考虑线程安全问题。

按照对象存储时间的不同,堆中的内存可以划分为新生代(Young)老年代(Old),其中新生代又被划分为 EdenSurvivor 区。具体如下图所示:

五、方法区

方法区(Method Area)主要是存储已经被 JVM 加载的类信息(版本、字段、方法、接口)、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码和数据。该区域同堆一样,也是被各个线程共享的内存区域。

注意:关于方法区,很多开发者会将其跟“永久区”混淆。

  • 方法区是规范层面的东西,规定了这一个区域要存放哪些数据。
  • 永久区或者是 metaspace 是对方法区的不同实现,是实现层面的东西。

六、异常再现

  • StackOverflowError 栈溢出异常

递归调用是造成 StackOverflowError 的一个常见场景,原因就是每调用一次method方法时,都会在虚拟机栈中创建出一个栈帧。因为是递归调用,method方法并不会退出,也不会将栈帧销毁,所以必然会导致StackOverflowError

  • OutOfMemoryError 内存溢出异常

理论上,虚拟机栈、堆、方法区都有发生 OutOfMemoryError 的可能。但是实际项目中,大多发生于堆当中。

在一个无限循环中,动态的向 ArrayList 中添加新的对象。这会不断的占用堆中的内存,当堆内存不够时,必然会产生 OutOfMemoryError,也就是内存溢出异常。

总结

对于 JVM 运行时内存布局,我们需要始终记住一点:上面介绍的这 5 块内容都是在 Java 虚拟机规范中定义的规则,这些规则只是描述了各个区域是负责做什么事情、存储什么样的数据、如何处理异常、是否允许线程间共享等。千万不要将它们理解为虚拟机的“具体实现”,虚拟机的具体实现有很多,比如 Sun 公司的 HotSpot、JRocket、IBM J9、以及我们非常熟悉的 Android Dalvik 和 ART 等。这些具体实现在符合上面 5 种运行时数据区的前提下,又各自有不同的实现方式。

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原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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