【深入理解JVM】之运行时数据区域

一、JAVA运行时数据区域

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• 程序计数器

  • 程序计数器（Program Counter Register） 是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，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执行字节码指令，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。
  • 由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器来执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要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。
  • 如果执行的是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地址。如果是native方法，计数器为空。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。

• Java虚拟机栈

  • Java虚拟机栈也是线程私有，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。一个方法对应一个栈帧。
  • 局部变量表存放了各种基本类型（boolean，byte，char，short，int，float，long，double）、对象引用和returnAddress类型（指向了一条字节码指令地址）。
  • 规定的异常情况有两种：
    • 线程请求的栈的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，如果扩展时无法申请到足够的内存，就抛出OutOfMemoryError异常。

• ​​​​​​​​​​​​​​本地方法栈

  • ​​​​​​​和Java虚拟机栈很类似，并且也会抛出Java虚拟机栈的异常。​​​​​​​
  • 区别：
    • ​​​​​​​虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机只用到的Native方法服务。

• ​​​​​​​Java堆

  • ​​​​​​​是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。由所有线程共享，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。随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，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逐渐变得不那么“绝对”了。
  • 堆中可细分为新生代和老年代，再细分可分为Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。
  • 无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快地分配内存。
  • Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。
  • 堆无法扩展时，抛出OutOfMemoryError异常。

• ​​​​​​​方法区

  • 方法区（Method Area）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、即时编辑器编译后的代码等数据。
  • 当方法区无法满足内存分配需求时，抛出OutOfMemoryError异常。

• ​​​​​​​运行时常量池​​​​​​​

  • ​​​​​​​运行时常量池​​​​​​​是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项是常量池（Const Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。
  • 运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

• ​​​​​​​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。
  • JDK1.4加入了NIO（New Imput/Output）类，引入一种基于通道（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堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据，提高了性能。
  • 当各个内存区域总和大于物理内存限制，抛出OutOfMemoryError异常。​​​​​​​