初识java虚拟机（JVM）运行时数据区结构

java虚拟机（JVM）是java平台的基石，任何java程序都是在JVM上运行的。java编译器把java程序编译成class文件，然后把class文件载入JVM中运行，JVM屏蔽了底层的硬件，所有的class文件只在JVM中运行，实现了一次编写到处运行(Write Once Run Anywhere)的宏伟目标。

JVM内部结构包括：

1. 类加载子系统
2. 运行时数据区
3. 执行引擎

本文只介绍运行时数据区的结构。

 
 

JVM运行时数据区结构

• 方法区
  虚拟机共享的数据区，每个虚拟机只有一个方法区。主要存储已被虚拟机加载的类的信息、常量、静态变量等数据。
• 堆区
  虚拟机共享的数据区，每个虚拟机只有一个堆区。java 堆是虚拟机管理的内存中最大的一块区域，存储所有的对象实例以及数组。由于堆区是多线程共享的，所以不是线程安全的。
• 栈区
  每个线程都有自己独立的栈区，栈区是线程安全的，是java方法执行的内存模型。每个方法在执行时都会创建一个栈帧（stack frame）用于存储本地变量表、操作数栈、帧数据等。随着方法调用的结束，相应的栈帧数据也随之删除。
• 程序计数器
  每个线程都有自己独立的程序计数器，指向当前指令的地址。
• 本地方法栈
  每个线程都有自己独立的本地方法栈，用于存储调用本地方法（native method）的信息。

下面我们来验证一下，对象是不是存在堆区的，方法调用相关的数据是不是存在栈区的。
 
 

堆区溢出

java堆用于存储对象实例，只要不断的创建对象，并保证避免垃圾回收机制清除这些对象，在达到最大堆容量限制的时候就会产生内存溢出异常。-Xmx10m参数表示把堆区的最大容量变小调成10M，-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError参数表示生成堆区快照文件。

vm 参数：-Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * vm args: -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 */
public class HeapOOM {

    static class OOMObject {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List list  = new ArrayList<>();
        while(true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

 

输出结果

第一行 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 表示java堆区空间溢出，说明了对象是存储在堆区中的。

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid10876.hprof ...
Heap dump file created [13387910 bytes in 0.036 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
	at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261)
	at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
	at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
	at jvm.HeapOOM.main(HeapOOM.java:17)

在项目的路径下会生成 java_pid10876.hprof 文件，这个文件就是dump出来的堆转储快照文件。我们用Memory Analyzer打开看一下。

点击上图最下面的details链接可以看到更详细的信息：

可以看到OOMObject对象占了93%的内存，罪魁祸首就是它了。

 

栈区溢出

每个方法在执行时都会创建一个栈帧，-Xss160k参数表示栈区的容量为160k，然后递归调用方法，让栈区溢出。

vm 参数： -Xss160k

/**
 * vm args: -Xss160k
 */
public class JavaVMStackSOF {

    static int stackLength = 1;

    /**
     * 递归调用，使其超出栈的最大深度
     */
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {

        JavaVMStackSOF javaVMStackSOF = new JavaVMStackSOF();
        try{
            javaVMStackSOF.stackLeak();
        }catch (Throwable e) {
            System.out.println("stack length: " + stackLength);
            throw e;
        }
    }
}

 

输出结果

Exception in thread “main” java.lang.StackOverflowError 表示java栈区空间溢出，说明了方法调用是存储在栈区中的。

stack length: 772
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
	at JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
	......

 
了解了一些JVM的知识对我们平时编程还是很有用的哦，比如看到java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 异常就知道是堆区溢出了，可能是对象创建太多了；看到java.lang.StackOverflowError异常就知道是栈区溢出了，马上去查查是不是方法调用有问题。

这样定位问题是不是更精准了呢？