JVM学习-运行时内存

运行时数据区域

  Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它管理的各个内存区域进行划分，每个区域都有各自的用途，以及各自的创建和销毁时间。有的区域随着进程启动而创建，有的区域依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

jvm运行时内存区域.png

程序计数器

  生命周期：线程私有的内存，伴随着线程建立和销毁；
  作用：当前线程所执行字节码的行号指示器；
  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。由于Java虚拟机（HotSpot）Windows和Linux版本都是一对一的线程模型（实现线程的3种方式分别是：使用内核线程实现；使用用户线程实现；使用用户线程加轻量级进程混合实现）实现，一条Java线程映射到一条轻量级进程中。因为Windows和Linux系统提供的线程模型是一对一的，所以Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间来实现的（时间轮转片）。
  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；如果执行的是一个Native方法，这个计数器值为空。
  （注：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）

Java虚拟机栈（简述）

  范围和生命周期：线程私有的内存，伴随着线程建立和销毁；
  虚拟机栈描叙的是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用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
  （对于一个特定的线程来说，栈被称为运行时栈，每个线程在运行时都有一个运行时栈，在这个运行时栈里面局部数据的操作都是线程安全的）

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：

• 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；
• 如果虚拟机可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可以动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定虚拟机栈大小），如果扩展时无法申请到足够内存，将会抛出OutOfMemoryError。
  (注：在Java虚拟机中将异常分成两种情况的行为看似严谨，实则有些重叠的地方：当栈空间无法继续分配时，到底是内存空间太小还是栈空间太大，本质上只是对同一件事情的两种描述。在真实测试过程中，在单个线程下，无论是哪种情况，当内存无法分配时，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常)

本地方法栈

  本地方法栈和Java虚拟机栈功能类似，区别只是Java虚拟机栈为Java虚拟机执行Java方法(字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

Java堆

  范围和生命周期：所有线程共享的内存，在虚拟机启动时创建；
  作用：存放对象实例，几乎所有的对象实例都要在堆上分配内存；
  Java堆这一部分区域除了被叫做“堆内内存”以外，由于这也是垃圾收集管理的主要区域，所以也被叫做“GC堆”。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，只要逻辑上是连续即可。如果在堆中间没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

  范围和生命周期：所有线程共享的内存，在虚拟机启动时创建；
  作用：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。
  虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是有一个别名叫做非堆(Non-Heap)，目的是把它和Java堆分开。Java虚拟机规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

方法区随着JDK的发展历程

• JDK7之前：用永久代的方式来实现方法区，HotSpot虚拟机就可以用像管理堆一样的来管理方法区这部分的内存，内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载；
• JDK7：将方法区中的字符串常量池(string pool，字符串常量池里的内容是在类加载完成，经过验证，准备阶段之后在堆中生成字符串对象实例，然后将该字符串对象实例的引用值存到字符串常量池中)移出到堆中；
• JDK8：去永久代，将方法区直接放到一块和堆不相连的本地内存区域，这个区域叫做元空间

运行时常量池

  范围和生命周期：运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分，所以生命周期和方法区一致；
  作用：在类加载后，将常量池(Constant Pool Table，存放编译期生成的各种字面量和符号引用)放入运行时常量池存放；
  运行时常量池相对于Class文件常量池的一个重要特征是具备动态性，在运行期间也可能将新的常量放入池中，例如：String类的intern()方法。

直接内存

  也称作堆外内存，这一部分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，所以这部分内存不是由Java虚拟机管理和回收的，需要我们手动的回收。堆内内存(Java堆)是属于Java虚拟机的，由Java虚拟机进行分配和管理，属于"用户态"，而堆外内存是由操作系统管理的，属于"内核态"。
  在JDK1.4中新加入了NIO类，他可以调用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过Java堆中的DirectByteBuffer对象来指向这块内存。
优点

• 对于频繁的io操作，我们需要不断把内存中的对象复制到直接内存然后由操作系统直接写入磁盘或者读出磁盘，这时候用到直接内存就避免了了Java堆和Native堆中来回复制数据。
• 我们在运行程序的过程中可能需要新建大量对象，对于一些声明周期比较短的对象，可以采用对象池的方式。但是对于一些生命周期较长的对象来说，不需要频繁调用GC，为了节省GC的开销，直接内存是必备之选。
• 扩大程序运行的内存，由于Java虚拟机申请的内存有限(和操作系统有关)，这时候可以通过堆外内存来扩大内存。

  如果这块区域被频繁地使用，也可能导致OutOfMemoryError异常。