Java虚拟机学习笔记(1)——Java虚拟机内存模型

          本文为学习笔记，参考《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》一书。该书内容是基于JDK 1.7的，会具有一定的滞后性，与现在Java虚拟机的状况不一定完全吻合。如想了解现在的Java虚拟机标准可以参考Java虚拟机标准。

废话不多说，先看看下图，该图是来自维基百科Java虚拟机词条提供的JDK 1.7标准Java虚拟机内存模型。

          JVM Memory（JVM内存模型）中，含有五个区域：Method Area(方法区)、Heap(堆区)、JVM Language Stacks(Java虚拟机栈)、PC Registers(程序计数器)、Native Method Stacks(本地方法栈)

          其中：方法区、堆区为内存共享区域、其它区域为内存隔离区域

1、程序计数器：

          程序计数器可以理解成是当前线程所执行的字节码的行号指示器，每个线程都需要一个独立的程序计数器。 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)。这个内存区域是唯一一个在java虚拟机规范种没有任何OutOfMemoryError情况的区域。

2、虚拟机栈：

              虚拟机栈的数据操作单元是栈帧（局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等）

              (1) 局部变量表：

                          存放编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）

                   对象引用和返回地址在java虚拟机规范中，这个区域有两种异常情况：

                           1) StackOverflowError异常：当线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度

                           2) OutOfMemoryError异常：虚拟机栈可以动态扩展

             ps: 当前大部分的java虚拟机都可动态扩展，只不过虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈

3、本地方法栈：

          本地方法栈和虚拟机栈非常相似。区别只是虚拟机栈是虚拟机为执行java方法（字节码）服务，本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范对本地方法栈中的方法使用语言、使用方式与数据结构并没有强制规定规定，因此具体的虚拟机可以自由的实现它。Sun HotSpot虚拟机就直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。本地方法区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4、Java堆：

          Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块区域，也是被所有线程共享的一块区域，在虚拟机启动时创建。几乎所有对象实例和数组都在堆上分配内存。这块区域也是垃圾收集器管理的主要区域（"GC堆"）。 现在收集器基本都是采用分代收集算法。所以，Java堆还可以分成：新生代和老年代（新生代还可以分成Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等）

5、方法区：

          与java堆一样，这是个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。在Java虚拟机规范中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它却有一个别名叫NonHeap(非堆)， 目的应该是与Java堆区分开来。

          (1) 在HotSpot虚拟机中，很多人把方法区称为“永久代”,本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队 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），对于其它虚拟机来说是不存在永久代的概念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代来实现方法区，现在看来并不是一个好注意，因为这样更容易遇到内存溢出的问题（永久代有-XX:MaxPermSize的上限，J9和JRockit只要没有触碰到进程可用的内存上限，就不会出现问题），而且有极少数方法（例如 String.intern()）会因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，根据官方的路线图信息，也有放弃永久代改为采用Native Memory来实现方法区的规划了，在目前已经发布的JDK 1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。

          (2) Java虚拟机规范中方法区限制非常宽松，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。

          这个区域的垃圾收集比较少见，主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。Java虚拟机规范规定，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：

          这是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，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存到方法区的运行时常量池中。Java虚拟机规范对Class类的每个部分都有严格的格式规定（包括常量池）,但对运行时常量池没有任何细节要求。常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常

7、直接内存：

          这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。在JDK 1.4中新加入了NIO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。

          Ps: 这部分区域分配不会受Java堆大小限制，但受本机总内存的大小及处理器寻址空间限制，如果虚拟机设置忽略了直接内存，可能使得当直接内存大小动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。