【深入理解JVM】JAVA运行时数据区域

 

JAVA中在由虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不需要在为每一个new操作区去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，有虚拟机管理便很方便。但是如果不了解内存是如何控制的一旦出现了内存泄漏和内存溢出方面的问题，那么排查错误便会非常艰难。

 

下面的内容，便是简述JVM内存各个区域的作用、服务对象、及其可能产生的问题。

 

运行时数据区域

JVM所管理的内容将会包括以下几个运行时数据区域。

 

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前程序所执行的字节码的行好指示器。在虚拟机的概念模型里面，字节码解释其工作是就是通过改变这个计数器的值来选取吓一跳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要依赖于这个计数器来完成。

JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行的方式来实现的。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。此地址在JVM规范中没有规定任何的OutOfMemoryError情况，同时也是唯一一个。

 

JAVA虚拟机栈

JVMS（Java Virtual Machine Stacks）与程序计数器一样都是私有的，生命周期与线程相同。JVMS描述的是JAVA方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时就会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数动态链接、方法出口等信息。同时方法的执行也是通过栈来实现的，每个方法执行完毕之后都会对应这一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

人们经常把内存分为堆内存和栈内存是不严谨的。栈就是JVMS，也可以说是JVMS中局部变量表部分。它存放了编译期的各种基本数据、对象引用和returnAddresse类型。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：

①如果线程请求的栈深度大于虚报机所允许的深度，将抛出StackOverfowError异常；

②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)，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

 

本地方法栈

本地方法栈与JVMS的作用相似，区别是JVMS为JVM执行JAVA方法，本地方法栈则为JVM使用到的Native方法服务。与JVMS一样本地方法栈也会抛出StackOverfowError和OutOfMemoryError异常。

 

JAVA堆

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。这块儿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。但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，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，很多时候也被叫做GC堆。

 

方法区

方法区与JAVA堆一样，都是各个线程共享的内存区域，它用于存储一杯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。

JVM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的，但是不是数据进入了方法区之后就“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，通常效果不是很好，尤其是类型的卸载条件相当苛刻，但是非常必要。

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

 

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等信息描述外，还有一项信息是常量池，用于存放编译器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。

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语言不要求常量值由编译期才能产生，Class文件随时可以将新的常量放入池中，这种特性利用的较多的便是String类的intern()方法。

因为运行时常量池是方法区的一部分，所以它也收到方法区内存的限制，无法申请到内存时便会抛出OutOfMemoryError异常。