Java 内存区域

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Java 内存区域

内存结构图

1. 程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看做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(仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现)。

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。 

Java 虚拟机的**多线程是通过线程轮流切换**，并**分配处理器执行时间**的方式来实现的，**在任何一个确定的时刻，一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)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，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，是 “线程私有“的内存。

1.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;

  1. 如果执行的是 Native 方法，这个计数器值为空(Undefined).
  2. 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

2. Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Statcks)

线程私有的。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。

每一个方法从调用到执行完成的过程，就对应这一个栈帧在虚拟机栈中 入栈到出栈的过程。

2.1 局部变量表

存放了编译器可知的

  • 各种基本数据类型(boolean byte char short int float long double)

  • 对象引用(reference 类型，它不等同于对象本身，可能是 一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是 一个代表对象的句柄 或 其他与此对象相关的位置)

  • returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)

64 位长度的 long 和 double 类型的数据会占用 2 个局部变量空间(Slot)(这也是为什么高并发下 long double 依然是会有问题),其余的数据类型只占用 1 个。

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。

Java 虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况:

  1. 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 递归死循环不跳出)
  2. 如果虚拟机栈 可以动态扩展(当前大部分 Java 虚拟机都可以动态扩展，只不过 Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈)，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError

3. 本地方法栈(Native Method Stack)

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的。

区别:

  • 虚拟机栈为 虚拟机执行 Java 方法(字节码)服务
  • 本地方法栈为 虚拟机使用到 Native 方法服务。

在虚拟机规范中对 本地方法栈中方法使用的语言，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。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError

4. Java 堆(Java Heap)

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 虚拟机规范中的描述是: 所有的对象实例 以及 数组 都要在堆上分配，但是随着 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，所有的对象都分配在堆上 也变得不那么绝对了。

Java 堆是 垃圾收集器管理的主要区域，因此也称为 GC堆。

从分代收集算法 来看，可以细分为 :

新生代 :

  • Eden 空间
  • From Survivor 空间
  • To Survivor 空间

老年代。新生代又分为 Eden 空间，From Survivor 空间、To Survivor 空间。

从内存分配的角度来看，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(Thread Local Allocation Buffer,TLAB). 目的都是为了更好地回收内存 或者更快地分配内存。

根据 Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以出于 物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将 OOM

5. 方法区(Method Area)

方法区与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储已被 虚拟机加载的 类信息、常量、静态变量、及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，但是他有个别名 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。

对于习惯在 HotSpot 虚拟机上开发、部署程序的开发者来说 很多人更愿意把 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， 这样 HotSpot 的垃圾收集器可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。

Java 虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和 Java 堆一样不需要连续的内存 和 可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在方法区比较少出现，但并非

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

一般来说，这个区域回收”成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。

当方法区无法满足内存非配需求时，将抛出 OOM

5.1 运行时常量池(Runtime Constant Pool,方法区的一部分)

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进入方法区的运行时常量池中。

一般来说，除了保存 Class 文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

直接内存(Direct Memory)(非虚拟机运行时数据区的一部分)

人们常说的堆外内存。

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。

但是这部分内存也频繁被使用，而且也可能到时 OOM 异常出现。

NIO 中，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。

这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。