Java内存区域

2019-02-09

Java虚拟机在运行程序时会把其自动管理的内存划分为以下几个区域，每个区域都有的用途以及创建销毁的时机。接下来会分别介绍各个区域的功能。

jvm运行时数据区

1 方法区

方法区属于线程共享的内存区域，又称Non-Heap（非堆），主要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，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。

HotSpot虚拟机处理方法区的时候选择把GC分代收集扩展至方法区，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。可是其他的虚拟机并不会这样处理。

值得注意的是在方法区中存在一个叫运行时常量池(Runtime Constant Pool）的区域。

1.1 运行时常量池

它主要用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这些内容将在类加载后存放到运行时常量池中，以便后续使用。运行时常量池除了编译期产生的Class文件的常量池，还可以在运行期间，将新的常量加入常量池，比较常见的是String类的intern()方法。

  • 字面量：与Java语言层面的常量概念相近，包含文本字符串、声明为final的常量值等。
  • 符号引用：编译语言层面的概念，包括以下3类：
    • 类和接口的全限定名
    • 字段的名称和描述符
    • 方法的名称和描述符

字面量与符号引用

接下来区分一下几个“常量池”的概念。

  • 常量池（Constant Pool）：常量池在数据编译期被确定，是Class文件中的一部分。存储了类、方法、接口等中的常量，当然也包括字符串常量。
  • 字符串池/字符串常量池（String Pool/String Constant Pool）：是常量池中的一部分，存储编译期类中产生的字符串类型数据。
  • 运行时常量池（Runtime Constant Pool）：方法区的一部分，所有线程共享。虚拟机加载Class后把常量池中的数据放入到运行时常量池。

注意：JDK1.6之前字符串常量池位于方法区之中，JDK1.7字符串常量池已经被挪到堆之中，JDK1.8方法区放在元空间里面。

2 JVM堆

Java堆也是属于线程共享的内存区域，它在虚拟机启动时创建，是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，主要用于存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
注意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。

  • 从内存回收的角度来看。由于现在的收集器基本上采用的都是分代收集算法，所有Java堆可以细分为：新生代和老年代。在细致分就是把新生代分为：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。
    java堆
  • 从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆可以划分出线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)；这样划分的好处是为了更快的分配内存。

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。
注意：关于在堆上内存分配是并发进行的，虚拟机采用CAS加失败重试保证原子操作，或者是采用每个线程预先分配线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。

3 程序计数器

属于线程私有的数据区域，是一小块内存空间，主要代表当前线程所执行的字节码行号指示器。字节码解释器工作时，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。
注意：如果线程在执行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地址；如果执行的是Native方法，这个计数器的值为空（Undefined）

4 虚拟机栈

属于线程私有的数据区域，与线程同时创建，总数与线程关联，代表Java方法执行的内存模型。每个方法（不包含native方法）执行时都会创建一个栈桢来存储局部变量表（函数内部的变量）、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法的执行过程对应一个栈桢在虚拟机栈中的入栈和出栈过程。

4.1 栈帧(Stack Frame)结构

栈帧结构

  • 局部变量表：局部变量表所需的内存空间在编译期完成分配，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。可能是基本数据类型（int、long、byte、short、float、double、char和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，也可能是指向一个代表对象的句柄或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）,容量以Slot为最小单位。（注意：64位长度的long和double类型会占用2个Slot）
  • 操作数栈：操作数栈也常被称为操作栈，栈中的每一个元素可以是任意Java数据类型。当一个方法刚刚执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法执行的过程中，会有各种字节码指向操作数栈中写入和提取值，也就是入栈与出栈操作。
  • 动态链接：每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。
  • 方法出口：
    • 正常退出，执行引擎遇到方法返回的字节码，将返回值传递给调用者
    • 异常退出，遇到Exception,并且方法未捕捉异常，那么不会有任何返回值。

Java虚拟机规范规定该区域有两种异常：

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

5 本地方法栈

本地方法栈属于线程私有的数据区域，这部分主要与虚拟机用到的Native方法相关。Java虚拟机规范规定该区域可抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError。

6 JDK1.8的一点变化

JDK 1.8同1.7比，最大的差别就是：元数据区取代了永久代。元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。主要用于存储类的信息、常量池、方法数据、方法代码等，由所有线程共享。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元数据空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：

  • -XX:MetaspaceSize：初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。
  • -XX:MaxMetaspaceSize：最大空间，默认是没有限制的。

类的元数据存放在 MetaSpace，字符串常量移至 Java Heap。

参考文献

全面理解Java内存模型(JMM)及volatile关键字
Java虚拟机—–方法区和运行时常量池
jvm 内存溢出 - 方法区及运行时常量池溢出
Java 内存之方法区和运行时常量池
JVM理解其实并不难！
Jvm内存模型
JDK1.8 JVM内存模型
深入探究JVM | 探秘 Metaspace
JVM内存模型