JVM之Java Virtual Machine Run-Time Data Areas

目录

1. 运行时数据区概览

2. 运行时数据区详解

2.1 程序计数器

2.2 虚拟机栈

2.3 本地方法栈

2.4 堆

2.5 方法区

2.6 运行时常量池

3. 运行时数据区异常

4. 运行时数据区监控

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1. 运行时数据区概览

单个线程私有的区，这个区域是随线程的创建而创建，随线程的结束而消亡：

程序计数器(Program counter register)

虚拟机栈(Java virtual machine stacks)

本地方法栈(Native method stack)

 

所有线程共享的区，这个区域随虚拟机的启动而创建，随虚拟机的退出而消亡；

堆(Heap)

方法区(Method area)

运行时常量池(Run-time constant pool)

2. 运行时数据区详解

2.1 程序计数器

程序计数器（ProgramCounterRegister）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是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，它是程序控制流的指示器,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Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、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（对于多核处理器来说是一个内核）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；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（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。

2.2 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（JavaVirtualMachineStack）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方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（StackFrame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。除了栈帧，没有其他数据会被放入虚拟机栈。
        经常有人把Java内存区域笼统地划分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种划分方式直接继承自传统的C、C++程序的内存布局结构，在Java语言里就显得有些粗糙了，实际的内存区域划分要比这更复杂。不过这种划分方式的流行也间接说明了程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的区域是“堆”和“栈”两块。
        在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：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Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

2.3 本地方法栈

本地方法栈（NativeMethodStacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。
《Java虚拟机规范》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任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它，甚至有的Java虚拟机（譬如Hot-Spot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，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

2.4 堆

对于Java应用程序来说，Java堆（JavaHeap）是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，在虚拟机启动时创建，堆内存被相应创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。
根据《Java虚拟机规范》的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

2.5 方法区

方法区（MethodArea）与Java堆一样，是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型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然《Java虚拟机规范》中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作“非堆”（Non-Heap），目的是与Java堆区分开来。

说到方法区，不得不提一下“永久代”这个概念，尤其是在JDK8以前，许多Java程序员都习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”（PermanentGeneration），或将两者混为一谈。本质上这两者并不是等价的，因为仅仅是当时的HotSpot虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样使得HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。但是对于其他虚拟机实现，譬如BEAJRockit、IBMJ9等来说，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《Java虚拟机规范》管束，并不要求统一。

考虑到HotSpot未来的发展，在JDK6的时候HotSpot开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（NativeMemory）来实现方法区的计划了，到了JDK7的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出，而到了JDK8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替，把JDK7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，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，甚至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的确是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这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，一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。以前Sun公司的Bug列表中，曾出现过的若干个严重的Bug就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

2.6 运行时常量池

运行时常量池（RuntimeConstantPool）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表（ConstantPoolTable），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，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。

Java虚拟机对于Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，如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、加载和执行，但对于运行时常量池，《Java虚拟机规范》并没有做任何细节的要求，不同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，还会把由符号引用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是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，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。

下面是JVM官方文档的说明

A run-time constant pool is a per-class or per-interface run-time representation of the constant_pool table in a class file (§4.4). It contains several kinds of constants, ranging from numeric literals known at compile-time to method and field references that must be resolved at run-time. The run-time constant pool serves a function similar to that of a symbol table for a conventional programming language, although it contains a wider range of data than a typical symbol table.

Each run-time constant pool is allocated from the Java Virtual Machine's method area (§2.5.4). The run-time constant pool for a class or interface is constructed when the class or interface is created (§5.3) by the Java Virtual Machine.

3. 运行时数据区异常

根据《Java Virtual Machine Specification》是说明，在运行时数据区，除了程序计数器不会抛任何异常外，其他的区是分别会出现相应的异常，具体如下：

虚拟机栈

在虚拟机栈中有两类异常

• If the computation in a thread requires a larger Java Virtual Machine stack than is permitted, the Java Virtual Machine throws a StackOverflowError.

• If Java Virtual Machine stacks can be dynamically expanded, and expansion is attempted but insufficient memory can be made available to effect the expansion, or if insufficient memory can be made available to create the initial Java Virtual Machine stack for a new thread, the Java Virtual Machine throws an OutOfMemoryError.

本地方法栈

在虚拟机中本地方法栈有两类异常

• If the computation in a thread requires a larger native method stack than is permitted, the Java Virtual Machine throws a StackOverflowError.

• If native method stacks can be dynamically expanded and native method stack expansion is attempted but insufficient memory can be made available, or if insufficient memory can be made available to create the initial native method stack for a new thread, the Java Virtual Machine throws an OutOfMemoryError.

堆

在堆中有一类异常

• If a computation requires more heap than can be made available by the automatic storage management system, the Java Virtual Machine throws an OutOfMemoryError.

方法区

在方法区有一类异常

• If memory in the method area cannot be made available to satisfy an allocation request, the Java Virtual Machine throws an OutOfMemoryError.

运行时常量池

运行时常量池有一类异常

• When creating a class or interface, if the construction of the run-time constant pool requires more memory than can be made available in the method area of the Java Virtual Machine, the Java Virtual Machine throws an OutOfMemoryError.

4. 运行时数据区监控

运行时数据监控可以使用JDK自带的jconsole进行查看，具体使用参见Using Jconsole，可以辅助我们了解运行时数据区的相关定义。

参考

JVM Specification - Run-Time Data Areas

《深入理解Java虚拟机-第三版》