Java底层篇：JVM内存结构

本篇文章参考《深入了解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》。

首先JVM在执行Java程序的过程中回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，以及创键和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7 版）》的规定，JVM虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：方法区、堆、本地方法栈、虚拟机栈、程序计数器。

程序计数器：

程序计数器是一个较小的内存空间，他可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。（程序计数器是CPU的一个重要部件，计算机组成原理里的知识）。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型），字节码解释器工作时就是通过改变计数器的值来选取下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需要依赖这个计数器来完成。

由于JVM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（对多核处理器来说就是一个内核）都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Native方法，这个计数器则为空（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。

 

虚拟机栈：

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，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：每个方法在执行的同时都会创键一个帧栈（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法都从调用直至执行执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

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太多程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域时这两块。其中所指的“堆”，我会在后面专门讲述，而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char...）、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，也有可能时指向一个代表对象的句柄或者其他与对象有关的位置）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。

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时完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在 JVM 规范中，对这个区域规定了两种异常情况：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 JVM 都可动态扩展），若果扩展时无法申请到足够的内存，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

 

本地方法栈：

和虚拟机栈类似，他们之间的却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，而本地方法栈则为虚拟机使用到Native 方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、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，本地方法栈也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常

 

堆：

对于大多数应用来说，Java 堆（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，在虚拟机启动时创键。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 JVM 规范中描述是：所有的对象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逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将导致一些微妙的变化发生，所有对象分配在堆上也变得不是那么“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”。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，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。从内存分配的角度来看，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的实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快地分配内存。这些问题将留到后面的文章讲述。

根据 JVM 规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续即可。在实现时，可以时固定大小的，也可以时可扩展的。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

 

方法区：

方法区和 Java 堆一样，是各个线程共享的内存空间，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 JVM 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。

对于习惯在 HotSpot 虚拟机上开发、部署的开发者来说，很多人更愿意把方法区成为“永久代”，本质上两者并不等价，仅仅是因为 HotSpot 虚拟机的设计选择把GC 分代收集器扩展至方法区，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，能够省区专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机来说则不存在永久代的概念。原则上，如何实现方法区术语虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永生代来实现方法区，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），而且有极少数的方法会因为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。

JVM 规范堆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固定或可扩展外，还可以i选择不实现垃圾收集。

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，用于存放编译器生产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。

JVM 对 Class 文件的每一部分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，JVM 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时具备动态性，Java 语言并不要求常量一定只有编译器才能产生，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，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多得便是 String.intern() 方法。

 

直接内存：

直接内存并不是虚拟机运行时数据区得一部分，也不是Java 虚拟机规范中定义得内存区域。但是这部分内存也被频繁得使用，而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现，所以我们放在这里一起讲解。

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO 类，引入了一种基于通道（Channel）和缓冲区（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。这样显著的提高性能。

 

总结图：