JVM 運行時數據區

引自《深刻理解Java 虛擬機》

前言

JVM 運行時數據分爲幾大部分

1. 程序計數器
2. Java 虛擬機棧
3. 本地方法棧
4. Java 堆
5. 方法區（永久代）
6. 運行時常量池
7. 直接內存

JVM 內存區域

Java 虛擬機在執行Java 程序的過程當中會把它所管理的內存劃分爲若干個不一樣的數據區域，這些區域都有各自的用途，以及建立和銷燬時間，有的區域隨着虛擬機進程的啓動而存在，有些區域則依賴用戶線程的啓動和結束而創建和銷燬。

根據Java 虛擬機規範，Java 虛擬機管理的內存將會包括如下幾個運行時數據區域：

能夠看到，只有方法區和堆是線程共享的，而兩棧一器都是線程獨享的，也就是說，併發時這些數據都是安全的。

下面一個一個看看這些區域的解釋。

1. 程序計數器

程序計數器（Program Counter Register） 是一塊較小的內存空間，它能夠看做是當前線程所執行的字節碼的 行號指示器。在虛擬機的概念模型裏，字節碼解釋器工做時就是經過改變這個計數器的值來選取下一條須要執行的字節碼指令，分支，循環，跳轉，異常處理，線程恢復等基礎功能都須要依賴這個計數據來完成。

因爲 Java 虛擬機的多線程時經過線程輪流切換並分配CPU時間片的方式來實現的，在任何一個肯定的時刻，一個處理器都智慧執行一條線程中的指令。所以，爲了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都須要有一個獨立的程序計數器，各條線程之間計數器互不影響，獨立存儲，咱們稱這類內存區域爲 「線程私有的內存」。

若是線程正在執行的是一個Java 方法，這個計數器記錄的時正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；若是正在執行的時 Native 方法，這個計數器值則爲空（Undefined），此內存區域是惟一一個在Java 虛擬機規範中沒有規定任何 OOM 狀況的區域。

2. Java 虛擬機棧

與程序計數器同樣，Java 虛擬機棧也是線程私有的，它的生命週期和線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每一個方法在執行的同時都會建立一個棧楨用於存儲局部變量表，操做數棧，動態連接。方法出口等信息。每個方法從調用直至執行完成的過程，就對應一個棧幀在虛擬機中入棧到出棧的過程。

人們常常把簡單的虛擬機分爲堆和棧，而這個棧就是如今講的虛擬機棧，或者說是虛擬機棧中局部變量表部分。

局部變量表存放了編譯器何止的各類基本類型，對象引用（對象起始地址的引用指針）和 returnAddress 類型（指向了一條字節碼指令的地址）。

其中64位的long 和 double 類型的數據會佔用2個局部變量空間，其他的數據類型只佔用一個。局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法須要在棧中分配多大的局部變量時徹底肯定的。在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

在虛擬機規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：若是線程請求的棧深度大於虛擬機所容許的深度，將拋出 StackOverflow 異常；若是虛擬機能夠動態擴展（當前大部分的 Java 虛擬機均可以動態擴展，只不過 Java 虛擬機規範中也容許固定長度的虛擬機棧），若是擴展時沒法聲請到足夠的內存，就會拋出OOM異常。

3. 本地方法棧(HotSpot 已被融合進虛擬機棧)

本地方法棧（Native Method Stack） 於虛擬機所返回的做用時很是類似的，他們之間的區別是不過虛擬機棧爲虛擬機執行Java 方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則爲虛擬機使用到的 Native 方法服務。而虛擬機規範中對本地方法棧中方法使用的語言，使用方式與數據結構並沒有強制規定，所以具體的虛擬機能夠自由實現它。甚至有的虛擬機（HotSpot）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二爲一。與虛擬機棧同樣，本地方法棧區域也會拋出 StackOverflow 異常和 OOM 異常。

4. Java 堆

對於大多數應用來講，Java 堆（Java Heap） 是Java 虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java堆是被全部洗車共享的一塊內存區域，再虛擬機啓動時建立。此內存區域的惟一目的就是存放對象實例，幾乎全部的對象實例都再這裏分配內存。這一點Java 虛擬機規範中的描述是：全部的對象實例以及數組都要在堆上分配，可是隨着 JIT 編譯器的發展和逃逸分析技術逐漸成熟，棧上分配，標量替換優化技術將會致使一些微妙的變化發生，全部的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那麼「絕對」了。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要區域，所以不少時候也被稱爲 「GC 堆（Garbage Collected Heap）」，從內存回收的角度來看，因爲如今收集器基本都採用分代收集算法，全部Java 堆中還能夠細分紅：新生代和老年代；再細緻一點的有 Eden 空間，From Survivor 空間，To Survivor 空間等。從內存分配的角度來看，線程共享的Java 堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩衝區（Thread Lcoal Allocation Buffer， TLAB）。

不過不管如何劃分，都與存放內容無關，不管哪一個區域，存儲的仍然是對象實例，進一步劃分的目的是爲了更好的回收內存，或者更快的分配內存。

根據虛擬機的規定，Java 堆能夠處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的便可，就像咱們的磁盤空間同樣。在實現時，既能夠實現成固定大小的，也能夠是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（經過 -Xmx 和 Xms 控制）。若是在堆中沒有內存完成實例分配，而且堆也沒法擴展時，將會拋出 OOM 異常。

5. 方法區

方法區（Method Area ）與 Java 堆同樣，時各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載的類信息，常量，靜態變量，即便編譯器編譯後的代碼等數據。雖然Java 虛擬機規範把方法區描述堆的一個邏輯部分，可是它卻有一個別名叫作（Non-Heap 非堆），目的應該是與Java 堆區分開來。

對於習慣在 HotSpot 虛擬機上開發，部署程序的開發者來講，不少人都更願意把方法區稱爲 「永久代（Permanent Generation）」，本質上二者並不等價，僅僅是由於 HotSpot 虛擬機的設計團隊選擇把GC 分代設計擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已，這樣 HotSpot 的垃圾收集器能夠像管理Java 堆衣阿華那個管理這部份內存，可以省去專門爲方法區編寫內存管理代碼的工做。

對於其餘虛擬機並不存在永久代這個概念。原則上，如何實現Java 虛擬機屬於實現細節，不受虛擬機規範約束，但使用永久代來實現方法區，如今看來並非好主意，由於這樣更容易遇到內存溢出（永久代有 -XX：MaxPermSize 的上限）。

所以，對於 HotSpot 虛擬機，已經放棄了永久代並逐步改成 Native Memory 來實現方法區的規劃了，在目前的版本中，已經把本來放在永久代的字符串常量池移出。

Java 虛擬機規範對方法區的限制很是寬鬆，除了和 Java 堆同樣不須要連續的內存和能夠選擇固定大小或者可擴展外，還能夠選擇不實習那垃圾回收。相對而言，垃圾收集行爲在這個區域是比較少見的，但並不是數據進入了方法區就如同永久代的名字同樣「永久」存在了。這區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，通常來講，這個區域的回收「成績」比較難以使人滿意，尤爲是類型的卸載，條件至關苛刻，可是這部分的區域的回收確實是由必要的。Sun 有幾個Bug 就是應爲HotSpot 虛擬機對此區域未徹底回收致使內存泄漏。

6. 運行時常量池

運行時常量池是方法區的一部分，Class 文件中除了有類的版本，字段，方法，接口等描述信息外，還有一項是常量池（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各類字面量和符號引，這部份內容在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。

JVM 對 Class 文件每個部分都有嚴格規定（包括常量池），每個字節用於存儲哪一種數據都必須符合規範上的要求才會被虛擬機任何，裝載和執行，但對於運行時常量池，Java 虛擬機規範沒有作任何細節的要求，不一樣的廠商實現的虛擬機能夠按照本身的須要來實現這個內存區域。不過，通常來講，除了保存 Class 文件中描述的符號引用以外，還會把翻譯出來的直接應用也存儲在運行時常量池中。

運行時常量池相對於 Class 文件常量池的另一個重要特種是具有動態性，Java 語言並不要求常量必定只有編譯期才能產生，也就是並不是預製入 Class 文件中常量池的內容才能既然怒方法區運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用比較多的即是 String 類的 intern 方法。

既然運行時常量池是方法區的一部分，天然受到方法區內存的限制，當常量池沒法再申請到內存時會拋出 OOM 異常。

7. 直接內存

直接內存（Direct Memory) 並非JVM 運行時數據區的一部分，也不是 JVM 規範中定義的內存區域，可是這部份內存也被頻繁的使用，並且也可能致使 OOM。

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO 類，引用了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的 I/O 方式，它可使用 native 函數庫直接分配堆外內存，而後經過一個存儲在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 對象做爲這塊內存的引用進行操做。這樣能在一些場合中顯著提升性能，由於避免了在 Java 堆和 Native 堆中來回複製數據。

顯然，本機直接內存的分配不會受到 Java 堆大小的限制，可是，既然是內存，確定仍是會受到本機總內存（包括 RAM以及 SWAP 區或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。服務器管理員在配置虛擬機總參數時，會根據實際內存設置-Xmx 等參數信息，但常常忽略直接內存，使得各個內存區域總和大於物理內存限制（包括物理的和操做系統級別的限制），從而致使動態擴展時出現 OOM 異常。