JVM之内存模型

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  • 程序计数器

    • 程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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。
  • 虚拟机栈

    • 线程私有,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java 方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。

      • 局部变量表
        • 局部变量表是一组变量值存储空间,用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在Java程序被编译成Class文件时,就在方法的Code属性的max_locals数据项中确定了该方法所需要分配的最大局部变量表的容量。
      • 操作数栈
        • 和局部变量区一样,操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组。但是和前者不同的是,它不是通过索引来访问,而是通过标准的栈操作——压栈和出栈—来访问的。比如,如果某个指令把一个值压入到操作数栈中,稍后另一个指令就可以弹出这个值来使用。
      • 动态连接
        • 虚拟机运行的时候,运行时常量池会保存大量的符号引用,这些符号引用可以看成是每个方法的间接引用。如果代表栈帧A的方法想调用代表栈帧B的方法,那么这个虚拟机的方法调用指令就会以B方法的符号引用作为参数,但是因为符号引用并不是直接指向代表B方法的内存位置,所以在调用之前还必须要将符号引用转换为直接引用,然后通过直接引用才可以访问到真正的方法。
      • 返回地址
        • 方法的返回分为两种情况,一种是正常退出,退出后会根据方法的定义来决定是否要传返回值给上层的调用者,一种是异常导致的方法结束,这种情况是不会传返回值给上层的调用方法。
      • 异常
        • 在Java 虚拟机规范中,对虚拟机栈规定了两种异常状况: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;如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的Java 虚拟机都可动态扩展,只不过Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈),当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError 异常。
  • 本地方法栈

    • 本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别不过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Native 方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如Sun HotSpot**虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一**。
    • 堆是Java 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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。但是随着JIT 编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。
    • 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做“GC 堆”。
  • 方法区

    • 方法区在一个jvm实例的内部,类型信息被存储在一个称为方法区的内存逻辑区中。类型信息是由类加载器在类加载时从类文件中提取出来的。类(静态)变量也存储在方法区中。
    • 简单说方法区用来存储类型的元数据信息,一个.class文件是类被java虚拟机使用之前的表现形式,一旦这个类要被使用,java虚拟机就会对其进行装载、连接(验证、准备、解析)和初始化。而装载(后的结果就是由.class文件转变为方法区中的一段特定的数据结构。这个数据结构会存储如下信息:
      • 类型信息
      • 这个类型的全限定名
      • 这个类型的直接超类的全限定名
      • 这个类型是类类型还是接口类型
      • 这个类型的访问修饰符
      • 任何直接超接口的全限定名的有序列表
      • 字段信息
      • 字段名
      • 字段类型
      • 字段的修饰符
      • 方法信息
      • 方法名
      • 方法返回类型
      • 方法参数的数量和类型(按照顺序)
      • 方法的修饰符
      • 其他信息
      • 除了常量以外的所有类(静态)变量
      • 一个指向ClassLoader的指针
      • 一个指向Class对象的指针
      • 常量池(常量数据以及对其他类型的符号引用)
    • JVM为每个已加载的类型都维护一个常量池。常量池就是这个类型用到的常量的一个有序集合,包括实际的常量和对类型,域和方法的符号引用。池中的数据项象数组项一样,是通过索引访问的。
  • 扩展

    • 直接内存
      • 直接内存(Direct Memory)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,但是这部分内存也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError 异常出现。
      • 在JDK 1.4 中新加入了NIO(New Input/Output)类,引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的I/O 方式,它可以使用Native 函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java 堆里面的DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能,因为避免了在Java 堆和Native 堆中来回复制数据。

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