Java虚拟机内存

Java虚拟机内存

2017/11/17

对于Java程序员来说，在虚拟机的自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，而且不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。也正是因为Java把内存控制的权交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

1.1 java运行时数据区域（Java内存）

1. 堆（Heap）
2. java虚拟机栈（VM Stack）
3. 方法区（Method Area）
   运行时常量池 (Run-Time Constant Pool 是方法区的一部分)
4. 本地方法栈（Native Method Stack）
5. 程序计数器（Program Counter Register）

2.1 堆（heap）

1. 存储的全部是对象（不存放基本类型和对象引用），每个对象都包含一个与之对应的class的信息
2. jvm只有一个堆区（heap）被所有线程共享，在虚拟机启动时创建
3. 对象实例及数组在堆上分配

2.2 Java栈（stack）

1. 每个线程包含一个栈区，栈中（虚拟机栈中局部变量表部分）存放编译期可知的各种基本数据类型（boolean,byte,char,short,int,float,double,long）、对象的引用和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）；
2. 栈中的数据（基本数据类型的对象和自定义对象的引用）都是私有的，其他栈不能访问；
3. 栈分为3个部分：基本类型变量区、执行环境上下文、操作指令区(存放操作指令)。

2.3 方法区（method）

1. 方法区又叫静态区，跟堆一样，被所有线程共享。方法区包含所有的class和static变量；
2. 方法区中包含的都是在整个程序中永远唯一的元素，如：class，static变量
   用于存储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。

2.4 本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥作用相似，区别：虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

2.5 程序计数器（Program Counter Register）

是一块较小的内存空间，它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过这个计数器来选去下一条执行字节码指令。

此内存区域(pc Register)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。

Java虚拟机可以同时支持多个执行线程。 每个Java虚拟机线程都有自己的pc（程序计数器）寄存器。 在任何时候，每个Java虚拟机线程正在执行单个方法的代码，即该线程的当前方法。 如果该方法不是native的，则pc Register包含当前正在执行的Java虚拟机指令的地址。 如果线程当前正在执行的方法是native的，那么Java虚拟机的pc寄存器的值是未定义的。 Java虚拟机的pc Register足够宽以在特定平台上保存returnAddress或本机指针。

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java虚拟机栈（VM Stack）

VM Stack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建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

每个Java虚拟机线程都有一个私有Java虚拟机堆栈，与线程同时创建。 Java虚拟机堆栈存储frames（一个frames用于存储数据和部分结果，以及执行动态链接，返回方法的值和调度异常。）。 Java虚拟机堆栈类似于传统语言（如C语言）的堆栈：它包含局部变量和部分结果，并在方法调用和返回中起作用。由于除了推送和弹出帧之外，Java虚拟机堆栈不会被直接操作，因此可能会分配堆栈。 Java虚拟机堆栈的内存不需要是连续的。

在“Java虚拟机规范”第一版中，Java虚拟机堆栈被称为Java堆栈。

这个规范允许Java虚拟机栈或者是固定的大小，或者是按照计算的需要动态扩展和收缩。如果Java虚拟机堆栈的大小是固定的，则每个Java虚拟机堆栈的大小可以在创建堆栈时独立选择。

Java虚拟机实现可以提供程序员或用户控制Java虚拟机堆栈的初始大小，以及在动态扩展或收缩Java虚拟机堆栈的情况下控制最大和最小大小。

Java虚拟机栈规定了两种异常状况

1.线程请求的栈的深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常

2.如果可以动态扩展Java虚拟机堆栈并尝试扩展，但是没有足够的内存可用于扩展，或者如果没有足够的内存可用于为新线程创建初始Java虚拟机栈，则Java虚拟机机器抛出一个OutOfMemoryError。

2.3.1 运行时常量池 (Run-Time Constant Pool 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（Constant Pool Table），用于存放编译期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放到方法区的运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，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，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本文参考:

1. 深入理解Java虚拟机jvm高级特性与最佳实践（第2版）
2. java官方文档The Structure of the Java Virtual Machine
3. BYRans的Java基础知识总结