JVM内存模型-五大区浅解

最新推荐文章于 2025-06-30 23:26:22 发布

Dear_mango

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分类专栏： jvm

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本文详细介绍了Java虚拟机(JVM)的五大内存区域：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆和方法区的功能及运作原理。探讨了对象在Java中的分配与访问机制，并对比了句柄和直接指针两种访问方式的特点。

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JVM五大区

这里写图片描述

一、程序计数器

程序计数器（ Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的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，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。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的字节码指令，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。该区域是属于线程私有的,因为在多线程环境中CPU通过在不同的线程来高速切换，此时程序计数器需要记录当前线程执行到哪一步了，以便下一次CPU可以在这个记录点上继续执行。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Native方法，这个计数器值则为空。
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。

二、java虚拟机栈

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。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

通常讲的堆内存和栈内存中的栈指的就是现在的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。局部变量表存放了编译期可知的8种基本数据类型.对象引用（ reference 类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

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
如果虚拟机栈扩展时无法申请到足够的内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

三、本地方法栈

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。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。

四、java堆

Java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。
这一点在java虚拟机规范中这样描述：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。
Java 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（ ” Garbage Collected Heap）。如果从内存回收的角度看，Java堆又会划分为好几个区域(新时代，老年代，等等)如果从内存分配的角度看，线程共享的 Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。但无论怎么去划分，无论那个区域，java堆中存储的依然是对象的实例。
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内，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。
进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。如果在堆中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。

五、方法区

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，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。
*HotSpot 虚拟机上很多人愿意把方法区称为“永久代”（ Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为 HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。
相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，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。这个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.在JDK1.7的HotSpot中,把原本放在永久代中的字符串常量池移出了。

运行时常量池

运行时常量池（ Runtime Constant Pool）是方法区的一部分Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，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

另：直接内存

直接内存并不是虚拟机规范定义的数据区的一部分，也不是虚拟机运行时数据区的一部分。但是这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryerror。
在JDK1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道与缓冲区的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堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场合中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

虽然直接内存的分配不受java堆大小的限制，但是会受到本机总内存大小的限制。在配置虚拟机参数时，经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError。

逻辑内存模型我们已经看到了，那当我们建立一个对象的时候是怎么进行访问的呢？

在Java 语言中，对象访问是如何进行的？对象访问在Java 语言中无处不在，是最普通的程序行为，但即使是最简单的访问，也会却涉及Java 栈、Java 堆、方法区这三个最重要内存区

域之间的关联关系，如下面的这句代码：

Object obj = new Object();

假设这句代码出现在方法体中，那“Object obj”这部分的语义将会反映到Java 栈

的本地变量表中，作为一个reference 类型数据出现。而“new Object()”这部分的语义

将会反映到Java 堆中，形成一块存储了Object 类型所有实例数据值（Instance Data，对

象中各个实例字段的数据）的结构化内存，根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布

局（Object Memory Layout）的不同，这块内存的长度是不固定的。另外，在Java 堆中

还必须包含能查找到此对象类型数据（如对象类型、父类、实现的接口、方法等）的地

址信息，这些类型数据则存储在方法区中。