jvm详解3-运行数据区（详解）

最新推荐文章于 2025-04-12 14:26:22 发布

郎伟学架构

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分类专栏： jvm 文章标签： jvm java 算法

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运行数据区

字节码只是一个二进制文件存放在那里。要想在jvm里跑起来，先得有个运行的内存环境。

也就是我们所说的jvm运行时数据区。

运行时数据区是jvm中最为重要的部分，执行引擎频繁操作的就是它。类的初始化，以及后面我们讲的对象空间的分配、垃圾的回收都是在这块区域发生的。

关于区域划分

根据《Java虚拟机规范》中的规定，在运行时数据区将内存细分为几个部分

线程私有的：Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）、程序计数器（Program Counter Register）、本地方法栈（Native Method Stacks）

共享的：方法区（Method Area）、Java堆区（Java Heap）

程序计数器

每个线程一个。是一块较小的内存空间，它表示当前线程执行的字节码指令的地址。
字节码解释器工作时，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，所以整个程序无论是分支、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。

由于线程是多条并行执行的，互相之间执行到哪条指令是不一样的，所以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。
如果是native方法，这里为空

！！！在虚拟机规范中，没有对这块区域设定内存溢出规范，也是唯一一个不会溢出的区域

虚拟机栈

概述

它描述的是Java方法执行的当前线程的内存模型，每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

溢出异常

1.栈深度超出设定

如果是创建的栈的深度大于虚拟机允许的深度，抛出Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError

2.内存申请不足

如果栈允许内存扩展，但是内存申请不够的时候，抛出 OutOfMemoryError

注意！这一点和具体的虚拟机有关，hotspot虚拟机并不支持栈空间扩展，所以单线程环境下，一个线程创建时，分配给它固定大小的一个栈，在这个固定栈空间上不会出现再去扩容申请内存的情况，也就不会遇到申请不到一说，只会因为深度问题超出固定空间造成上面的StackOverflowError

到这里，那有小伙伴开始问了是不是改小Xss的值就可以得到栈空间溢出呢？

根据上面的分析，hotspot下不可以，还是会抛出StackOverflowError，无非深度更小了。

本地方法栈

本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈，均具有线程隔离的特点
不同的是，本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法，而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法
虚拟机规范里对这块所用的语言、数据结构、没有强制规定，虚拟机可以自由实现它
甚至，hotspot把它和虚拟机栈合并成了1个

溢出异常

如果是创建的栈的深度大于虚拟机允许的深度，抛出 StackOverFlowError

内存申请不够的时候，抛出 OutOfMemoryError

堆

与上面的3个不同，堆是所有线程共享的！所谓的线程安全不安全也是出自这里。

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，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此它也被称作“GC堆”，这就是我们做JVM调优的重点区域部分。

!!!需要注意的是，《Java虚拟机规范》并没有对堆进行细致的划分，所以对于堆的讲解要基于具体的虚拟机，我们以使用最多的HotSpot虚拟机为例。

提到这个我们就要说一下jdk7和jdk8的区别了

jdk1.7

Young 年轻区（代）

Young区被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区

其中，Survivor区间中，某一时刻只有其中一个是被使用的，另外一个留做垃圾收集时复制对象用

在Eden区间变满的时候， GC就会将存活的对象移到空闲的Survivor区间中，根据JVM的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象将被移动到下面的Tenured区间。
Tenured 年老区

Tenured区主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象，当一些对象在Young复制转移一定的次数以后，对象就会被转移到Tenured区，一般如果系统中用了application级别的缓存，缓存中的对象往往会被转移到这一区间。
Perm 永久区

现在已经成为历史，Perm代主要保存类信息，class,method,filed等对象，这部份的空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多的类，不过在涉及到热部署的应用服务器的时候，有时候会遇到java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的错误，造成这个错误的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，类的class没有被卸载掉，这样就造成了大量的class对象保存在了perm中，这种情况下，一般重新启动应用服务器可以解决问题。另外一种可能是创建了大批量的jsp文件，造成类信息超出perm的上限而溢出。这种重启也解决不了。只能调大空间。

jdk1.8

jdk1.8的内存模型是由2部分组成，年轻代 + 年老代。永久代被干掉，换成了Metaspace（元数据空间）

需要特别说明的是：Metaspace所占用的内存空间不是在虚拟机内部，而是在本地内存空间中，这也是与1.7的永久代最大的区别所在。

溢出异常

内存不足时，抛出java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

下面举个例子：

/**
 * 堆溢出
 *   -Xms20m -Xmx20m
 */
public class HeapOOM {

    Byte[] bytes = new Byte[1024*1024];
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        int i = 0;
        while (true) {
            System.out.println(++i);
            list.add(new HeapOOM());
        }
    }
}

方法区

同样，线程共享的。

它主要用来存储类的信息、类里定义的常量、静态变量、编译器编译后的代码缓存。

具体方法区主要存什么东西呢？粗略的分，可以划分为两类：

类信息：主要指类相关的版本、字段、方法、接口描述、引用等
运行时常量池：编译阶段生成的常量与符号引用、运行时加入的动态变量

溢出异常

1.6：OutOfMemoryError: PermGen space

1.8：OutOfMemoryError: Metaspace

举个例子

/**
 * 方法区溢出，注意限制一下永久代的大小
 * 编译的时候注意pom里的版本，要设置1.6，否则启动会有问题
 * jdk1.6  :     -XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
 */
public class ConstantOOM {

    public static void main(String[] args) {
        ConstantOOM oom = new ConstantOOM();
        Set<String> stringSet = new HashSet();
        int i = 0;
        while (true) {
            System.out.println(++i);
            stringSet.add(String.valueOf(i).intern());
        }
    }
}

/**
 * jdk8方法区溢出
 *   -XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M
 */
public class ConstantOOM8 {

    public static void main(final String[] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOM.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                @Override
                public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                    return methodProxy.invokeSuper(objects,args);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }
    static class OOM{

    }
}

总结：jdk8引入元空间来存储方法区后，内存溢出的风险比历史版本小多了，但是在类超出控制的时候，依然会打爆方法区

为了方便理解，我们举个例子

假设有个Bootstrap的类，执行main方法。在jvm里，它从class文件到跑起来，大致经过如下步骤：

首先JVM会先将这个Bootstrap.class 信息加载到内存中的方法区
接着，主线程开辟一块内存空间，准备好程序计数器pc，虚拟机栈、本地方法栈
然后，JVM会在Heap堆上为Bootstrap.class 创建一个Bootstrap.class 的类实例
JVM开始执行main方法，这时在虚拟机栈里为main方法创建一个栈帧
main方法在执行的过程之中，调用了greeting方法，则JVM会为greeting方法再创建一个栈帧，推到虚拟机栈顶，在main的上面，每次只有一个栈帧处于活动状态，当前为greeting
当greeting方法运行完成后，则greeting方法出栈，当前活动帧指向main，方法继续往下运行

接下来我们总结一下

1）独享/共享的角度：

独享：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
共享：堆、方法区

2）error的角度：

程序计数器：不会溢出，比较特殊，其他都会
两个栈：可能会发生两种溢出，一是深度超了，报StackOverflowError，空间不足：OutOfMemoryError
堆：只会在空间不足时，报OutOfMemoryError，会提示heapSpace
方法区：空间不足时，报OutOfMemoryError，提示不同，1.6是permspace，1.8是元空间，和它在什么地方有关

3）归属：

计数器、虚拟机栈、本地方法栈：线程创建必须申请配套，真正的物理空间
堆：真正的物理空间，但是内部结构的划分有变动，1.6有永久代，1.8被干掉
方法区：最没归属感的一块，原因就是它是一个逻辑概念。1.6被放在了堆的永久代，1.8被拆分，一部分在元空间，一部分（方法区的运行时常量池里面的类对象，包括字符串常量，被设计放在了堆里）
直接内存：这块实际上不属于运行时数据区的一部分，而是直接操作物理内存。在nio操作里DirectByteBuffer类可以对native操作，避免流在堆内外的拷贝。我们下一步的调优不会涉及到它，了解即可。