JVM的内存模型

本文详细介绍了Java虚拟机(JVM)的内存管理,包括程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、Java堆和方法区。每个区域都有其特定的功能和使用场景,例如程序计数器用于线程执行顺序,虚拟机栈为方法执行提供内存模型,本地方法栈服务于本地方法,Java堆存储对象实例,方法区则存储类信息和编译后的代码。这些内存区域的配置和管理对于Java程序的运行至关重要,并可能引发StackOverflowError和OutOfMemoryError等异常。

Java虚拟机所管理的内存包含程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆方法区5个部分。模型图如下图所示:

1、程序计数器:

为了线程切换后能恢复到正确的执行顺序,每个线程都需要一个独立的程序计数器,各个线程之间的计数器互不影响。

独立存储,这类内存区域为【线程私有】的内存。

程序计数器具有如下的特点:

  • 是一块较小的内存空间。
  • 线程私有,每条线程都有自己的程序计数器。
  • 生命周期方面,随着线程的创建而创建,随着线程的结束而销毁。
  • 是唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域。

程序计数器的作用:

保证执行顺序,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置。主要应用于多线程场景。

在任何一个确定的时刻,一个处理器只会执行一条线程中的指令。

2、Java虚拟机栈:

Java虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期与线程的生命周期同步,虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型。

Java虚拟机栈有如下的特点:

  • 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,进入一个方法时,这个方法需要在栈桢中分配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。
  • Java虚拟机栈会出现两种异常:StackOverflowError和OutOfMemoryError。

3、本地方法栈:

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用很类似,区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地方法服务。

4、Java堆:

Java堆是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。

5、方法区:

方法区和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缓存等数据。

JVM(Java Virtual Machine)即Java虚拟机,是一种用于计算设备的规范,它是一个虚构出来的计算机,通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现 [^1]。JVM内存模型主要包含以下几个部分: ### 程序计数器 程序计数器用于记录当前执行的指令地址。如果程序执行的是一个Java方法,计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址;若正在执行的是一个本地(native,由C语言编写完成)方法,则计数器的值为Undefined。由于它只是记录当前指令地址,不存在内存溢出的情况,是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域 [^5]。 ### Java堆 Java堆是Java代码可及的内存,是留给开发人员使用的。堆用于存储对象实例及数组值,Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配,堆区由所有线程共享。Heap中对象所占用的内存由GC进行回收。在32位操作系统上最大为2GB,在64位操作系统上则没有限制,其大小可通过 -Xms 和 -Xmx 来控制。-Xms 为JVM启动时申请的最小Heap内存,默认为物理内存的1/64但小于1GB;-Xmx 为JVM可申请的最大Heap内存,默认为物理内存的1/4但小于1GB。默认当空余堆内存小于40%时,JVM会增大Heap到 -Xmx 指定的大小,可通过 -XX:MinHeapFreeRatio= 来指定这个比例;当空余堆内存大于70%时,JVM会减小Heap的大小到 -Xms 指定的大小,可通过 -XX:MaxHeapFreeRatio= 来指定这个比例。对于运行系统而言,为避免在运行时频繁调整Heap的大小,通常将 -Xms 和 -Xmx 的值设成一样 [^2][^3]。 ### 非堆(Non - Heap) 非堆是JVM留给自己用的,方法区、JVM内部处理或优化所需的内存 (如JIT编译后的代码缓存)、每个类结构 (如运行时常量池、字段和方法数据)以及方法和构造方法的代码都在非堆内存中 [^2]。 ### Java虚拟机栈 Java虚拟机栈是描述Java方法运行过程的内存模型。它会为每一个即将运行的Java方法创建“栈帧”,用于存储该方法在运行过程中所需要的一些信息,包括局部变量表(存放基本数据类型变量、引用类型的变量、returnAddress类型的变量)、操作数栈、动态链接、当前方法的常量池指针、当前方法的返回地址、方法出口等信息 [^4]。 ### 示例代码展示栈帧概念 ```java public class StackFrameExample { public static int add(int a, int b) { int result = a + b; return result; } public static void main(String[] args) { int x = 5; int y = 3; int sum = add(x, y); System.out.println("Sum: " + sum); } } ``` 在上述代码中,`main` 方法和 `add` 方法在执行时,Java虚拟机栈会分别为它们创建栈帧,用于存储各自运行过程中的信息。
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