JVM原理及內存機制

JVM的邏輯內存模型以下：

 

 

 咱們如今來逐個的看下每一個究竟是作什麼的！

一、程序計數器

程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它的做用能夠看

作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（僅是概念模型，

各類虛擬機可能會經過一些更高效的方式去實現），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器來完成。

因爲Java 虛擬機的多線程是經過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現

的，在任何一個肯定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來講是一個內核）只會執行

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，各條線程之間的計數器互不影響，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，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節

碼指令的地址；若是正在執行的是Natvie 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OutOfMemoryError 狀況的區域。

二、Java 虛擬機棧

與程序計數器同樣，Java 虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，

它的生命週期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java 方法執行的內存模型：每一個方法被執

行的時候都會同時建立一個棧幀（Stack Frame ①）用於存儲局部變量表、操做棧、動態

連接、方法出口等信息。每個方法被調用直至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在

虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

常常有人把Java 內存區分爲堆內存（Heap）和棧內存（Stack），這種分法比較粗

糙，Java 內存區域的劃分實際上遠比這複雜。這種劃分方式的流行只能說明大多數程序

員最關注的、與對象內存分配關係最密切的內存區域是這兩塊。其中所指的「堆」在後

面會專門講述，而所指的「棧」就是如今講的虛擬機棧，或者說是虛擬機棧中的局部變

量表部分。

局部變量表存放了編譯期可知的各類基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、

float、long、double）、對象引用（reference 類型，它不等同於對象自己，根據不一樣的虛擬

機實現，它多是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個表明對象的句柄或

者其餘與此對象相關的位置）和returnAddress 類型（指向了一條字節碼指令的地址）。

其中64 位長度的long 和double 類型的數據會佔用2 個局部變量空間（Slot），其他

的數據類型只佔用1 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，這個方法須要在幀中分配多大的局部變量空間是徹底肯定的，在方法運行期間

不會改變局部變量表的大小。

在Java 虛擬機規範中，對這個區域規定了兩種異常情況：若是線程請求的棧深度大

於虛擬機所容許的深度，將拋出StackOverflowError 異常；若是虛擬機棧能夠動態擴展

（當前大部分的Java 虛擬機均可動態擴展，只不過Java 虛擬機規範中也容許固定長度的

虛擬機棧），當擴展時沒法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError 異常。

三、本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發揮的做用是很是類似的，其

區別不過是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

是爲虛擬機使用到的Native 方法服務。虛擬機規範中對本地方法棧中的方法使用的語

言、使用方式與數據結構並無強制規定，所以具體的虛擬機能夠自由實現它。甚至

有的虛擬機（譬如Sun HotSpot 虛擬機）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StackOverflowError 和OutOfMemoryError

異常。

四、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 堆是被全部線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啓動時建立。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在這裏分配內存。這一點在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①，可是隨着JIT 編譯器

的發展與逃逸分析技術的逐漸成熟，棧上分配、標量替換②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作「GC 堆」（Garbage

Collected Heap，幸虧國內沒翻譯成「垃圾堆」）。若是從內存回收的角度看，因爲如今

收集器基本都是採用的分代收集算法，因此Java 堆中還能夠細分爲：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。若是從內存分配

的角度看，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 Local

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，

存儲的都仍然是對象實例，進一步劃分的目的是爲了更好地回收內存，或者更快地分配

內存。在本章中，咱們僅僅針對內存區域的做用進行討論，Java 堆中的上述各個區域的

分配和回收等細節將會是下一章的主題。

根據Java 虛擬機規範的規定，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，而且堆也沒法再擴展時，將會拋出

OutOfMemoryError 異常。

五、方法區

方法區（Method Area）與Java 堆同樣，是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、即時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爲堆的一個邏輯部分，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 虛擬機上開發和部署程序的開發者來講，不少人願意把方法區

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 分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而

已。對於其餘虛擬機（如BEA JRockit、IBM J9 等）來講是不存在永久代的概念的。即

使是HotSpot 虛擬機自己，根據官方發佈的路線圖信息，如今也有放棄永久代並「搬家」

至Native Memory 來實現方法區的規劃了。

Java 虛擬機規範對這個區域的限制很是寬鬆，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，還能夠選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾

收集行爲在這個區域是比較少出現的，但並不是數據進入了方法區就如永久代的名字一

樣「永久」存在了。這個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，可是這部分區域的回收確實是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中，曾出

現過的若干個嚴重的BUG 就是因爲低版本的HotSpot 虛擬機對此區域未徹底回收而導

致內存泄漏。

根據Java 虛擬機規範的規定，當方法區沒法知足內存分配需求時，將拋出

OutOfMemoryError 異常。

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