运行时数据区域
- 概述
- java虚拟机运行时数据区可分为: 方法区(Method Area)丶虚拟机栈(VM Stack)丶本地方法栈(Native Method Stack)丶堆(Heap),程序计数器(Program Couter Register)
- 程序计数器
- 程序计数器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,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需要执行的字节码指令
- 在多线程中,每条线程都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,这类内存是线程私有的
- 如果线程正在执行的一个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
- 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:每个方法被执行时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表丶操作栈丶动态链接丶方法出口等信息,每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
- 经常有人把Java内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),这种分法比较粗糙,而所指的栈就是虚拟机栈,更精确的说应该是虚拟机栈中的局部变量表部分
- 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进去一个方法时,这个方法需要在栈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
- 在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常状况: 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;如果虚拟机栈可以动态扩展,当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常
- 本地方法栈
- 本地方法栈与虚拟机栈所发虚的作用非常相似,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(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
- 虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言丶使用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,甚至有的虚拟机(如Sun HotSpot)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一
- 与虚拟机栈一样,本地方法栈区域会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常
- Java堆
- 对于大多数应用来说,Java堆是Java虚拟机所管理的内存重最大的一块,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
- Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称为”GC堆”(Garbage Collected Heap)
- 如果从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法,所以java堆中还可以细分为: 新生代和老年代
- 无论如何划分,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,或者更快的分配内存
- 根据Java虚拟机规范规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间,只要逻辑上是连续的即可,就像我们的磁盘空间一样
- 在是现时,可以是固定大小或者可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx 和 Xms控制),如果堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,会抛出OutOfMemoryError异常
- 方法区
- 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丶常量丶静态变量丶即时编译器编译后的代码等数据,方法区又称为永久代
- Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松,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,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入了方法区就永久存在了,一般来说这个区域的回收”成绩”比较难令人满意,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有必要的
- 在Sun公司的BUG列表中,曾出现过的若干个严重BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致的内存泄漏
- 根据Java虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常
- 运行时常量池(Runtime Constant Pool)
- 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丶字段丶方法丶接口等描述等信息外,还有一项信息是常量池(Constant Pool Table),用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将再类加载后存放到方法区的运行时常量池中
- 对于运行时常量池,Java虚拟机规范没有做任何细节的要求,不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域,不过一般来说,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
- 运行时常量池相对于Class文件常量池的另一个重要特征是具备动态性,Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生,运行期间也可能将新的常量放入池中,例如String类的intern()方法
- 既然运行时常量池是方法区的一部分,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常
- 直接内存(Direct Memory)
- 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,但是这部分内存也被频繁的使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现
- 在NIO中基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式,他可以使用Native函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作,显然本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制,但是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制
- 配置虚拟机参数时,一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息,但经常忽略掉直接内存,从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常
对象访问
- 对象访问在Java语言中无处不在,即使是最简单的访问也会涉及Java栈丶Java堆丶方法区
- 对Object obj = new Objcet();分析
- Obect obj 这部分的语义会反映到Java栈的本地变量表中,作为一个reference类型数据出现
- new Object()这部分的语义会反映到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
- 另外用于查找到此对象类型数据(如对象类型丶父类丶实现接口丶方法等)的地址信息将存储在方法区中
- 不同虚拟机实现对象访问的方式会有所不同,主流的访问方式有两种: 使用句柄和直接指针
- 使用句柄: Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息
- 直接指针: 如果使用直接指针,Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,reference中直接存储的就是对象地址
- 这两种对象的访问方式各有优势,使用句柄访问方式的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要被修改
- 使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快,它节省了一次指针定位的时间开销,由于对象的访问在java中是非常频繁,因此这类开销积少程度后也是一项非常可观的执行成本
- Sun HotSpot虚拟机使用的是直接指针访问方式
内存溢出
- Java堆溢出
- Java堆用于存储对象实例,我们只要不断的创建对象,并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象,就会在对象数量到达最大堆容量限制后产生内存溢出异常
- 虚拟机栈和本地方法栈溢出
- 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度,将抛出StackOverFlowError,例如无限递归调用
- 如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够内存空间,则抛出OutOfMemoryError异常(无限创建线程)
- 单线程情况下,无论是栈帧太大,还是虚拟机栈容量太小,当内存无法分配的时候,抛出的都是StackOverFlowError
- 运行时常量池溢出
- 不断的向运行时常量池添加内容,溢出时抛出OutOfMemoryError
- 最简单的做法就是使用String的intern()这个Native方法,该方法作用是: 如果常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串,就返回引用,否则将此String对象添加到常量池中再返回引用
- 常量池分配在方法区内,可以使用-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize设置方法区大小,从而间接限制常量池大小
- 方法区溢出
- 方法区用于存放Class的相关信息,如类名丶访问修饰符丶常量池丶字段描述丶方法描述等
- 对于这个区域测试,运行时产生大量的类去填满方法区,知道溢出,Java SE API可以动态产生类(反射GeneratedConstructorAccessor和动态代理),也可采用CGLib代理直接操作字节码运行时,产生大量的动态类
- 在经常动态生成大量Class的应用中,需要特别注意类的回收状况
- 本机直接内存溢出
- DirectMemory容量可以通过-XX:MaxDirectMemorySize指定,如果不指定,则默认与Java堆的最大值(-Xmx指定)一样
- 虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常,但是实际上并没有真正想操作系统申请分配内存,而是通过计算得知内存无法分配,真正申请分配内存的方法是unsafe.allocateMemory()