深入理解JVM系列(四)阿里面试题JVM内存布局

如果觉得写的还可以请关注微信公众号：程序猿的日常分享，定期更新分享。

运行时数据区

根据《Java虚拟机规范》的规定，运行时数据区通常包括这几个部分：程序计数器(Program Counter Register)、Java栈(VM Stack)、本地方法栈(Native Method Stack)、方法区(Method Area)、堆(Heap)。

image.png

JVM 内存区域划分如图所示，从图中我们可以看出：

• JVM 堆中的数据是共享的，是占用内存最大的一块区域。

• 可以执行字节码的模块叫作执行引擎。

• 执行引擎在线程切换时怎么恢复？依靠的就是程序计数器。

• JVM 的内存划分与多线程是息息相关的。像我们程序中运行时用到的栈，以及本地方法栈，它们的维度都是线程。

• 本地内存包含元数据区和一些直接内存。

程序计数器

在JVM规范中规定，如果线程执行的是非native方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址；如果线程执行的是native方法，则程序计数器中的值是undefined。由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，因此，对于程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

JAVA虚拟机栈

栈是一个后入先出(LIFO)的数据结构，就像子弹匣，首先不断的往里边压子弹，再开枪的时候会从弹匣的顶部开始出子弹。Java 虚拟机栈是基于线程的。哪怕只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。
栈里的每条数据，就是栈帧。在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦完成相应的调用，则出栈。所有的栈帧都出栈后，线程也就结束了。每个栈帧，都包含四个区域：

• 局部变量表：就是用来存储方法中的局部变量（包括在方法中声明的非静态变量以及函数形参）。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。

• 操作数栈：想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生，栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

• 动态连接：因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。

• 返回地址：当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

我们的应用程序，就是在不断操作这些内存空间中完成的。

image.png

本地方法栈

本地方法栈与Java栈的作用和原理非常相似。区别只不过是Java栈是为执行Java方法服务的，而本地方法栈则是为执行本地方法（Native Method）服务的。在JVM规范中，并没有对本地方法栈的具体实现方法以及数据结构作强制规定，虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和Java栈合二为一。

堆

堆是 JVM 上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。
由于对象的大小不一，在长时间运行后，堆空间会被许多细小的碎片占满，造成空间浪费。所以，仅仅销毁对象是不够的，还需要堆空间整理。
那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置。Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。
对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。
对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。
我们上面提到，每个线程拥有一个虚拟机栈。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。像 int[] 数组这样的内容，是在堆上分配的。数组并不是基本数据类型。

方法区

方法区在JVM中也是一个非常重要的区域，它与堆一样，是被线程共享的区域。在方法区中，存储了每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。

在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。在方法区中有一个非常重要的部分就是运行时常量池，它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，在类和接口被加载到JVM后，对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中，比如String的intern方法。在JVM规范中，没有强制要求方法区必须实现垃圾回收。
方法区是一个规范，在JDK7之前虚拟机是以永久代来实现方法区的，字符串常量位于永久代，永久代在启动的时候指定大小不能改变，并且FGC不会清理，由于无法确定需要用到多少类，所以这个区域几乎是无法调优的，如果反射或者cglib之类的动态生成类的代码过多，很容易造成永久代内存溢出。
在JDK8之后，虚拟机移除了永久代，使用元空间来实现方法区，在Java7中永久代中存储的部分数据已经开始转移到Java Heap或Native Memory中了。比如，符号引用(Symbols)转移到了Native Memory；字符串常量池(interned strings)转移到了Java Heap；类的静态变量(class statics)转移到了Java Heap。我们也可以通过设置来指定元空间大小，默认最大是机器物理内存。

为什么要用元空间替代永久代
随着动态类加载的情况越来越多，这块内存变得不太可控，如果设置小了，系统运行过程中就容易出现内存溢出，设置大了又浪费内存。当使用元空间时，可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制, 而由系统的实际可用空间来控制。

直接内存

直接内存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，它直接从操作系统中分配，因此不受Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制，因此它也可能导致OutOfMemoryError异常出现。
在JDK1.4中新引入了NIO机制，它是一种基于通道与缓冲区的新I/O方式，可以直接从操作系统中分配直接内存，即在堆外分配内存，这样能在一些场景中提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据，也就是零拷贝。

如果觉得写的还可以请关注微信公众号：程序猿的日常分享，定期更新分享。