JVM 內存模型

JVM 內存模型

Java 虛擬機的內存空間分爲 5 個部分：

• 程序計數器
• Java 虛擬機棧
• 本地方法棧
• 堆
• 方法區

JDK 1.8 同 JDK 1.7 比，最大的差異就是：元數據區取代了永久代。元空間的本質和永久代相似，都是對 JVM 規範中方法區的實現。不過元空間與永久代之間最大的區別在於：元數據空間並不在虛擬機中，而是使用本地內存。

程序計數器（PC 寄存器）

程序計數器的定義

程序計數器是一塊較小的內存空間，是當前線程正在執行的那條字節碼指令的地址。若當前線程正在執行的是一個本地方法，那麼此時程序計數器爲Undefined。

程序計數器的做用

• 字節碼解釋器經過改變程序計數器來依次讀取指令，從而實現代碼的流程控制。
• 在多線程狀況下，程序計數器記錄的是當前線程執行的位置，從而當線程切換回來時，就知道上次線程執行到哪了。

程序計數器的特色

• 是一塊較小的內存空間。
• 線程私有，每條線程都有本身的程序計數器。
• 生命週期：隨着線程的建立而建立，隨着線程的結束而銷燬。
• 是惟一一個不會出現OutOfMemoryError的內存區域。

Java 虛擬機棧（Java 棧）

Java 虛擬機棧的定義

Java 虛擬機棧是描述 Java 方法運行過程的內存模型。

Java 虛擬機棧會爲每個即將運行的 Java 方法建立一塊叫作「棧幀」的區域，用於存放該方法運行過程當中的一些信息，如：

• 局部變量表
• 操做數棧
• 動態連接
• 方法出口信息
• ......

壓棧出棧過程

當方法運行過程當中須要建立局部變量時，就將局部變量的值存入棧幀中的局部變量表中。

Java 虛擬機棧的棧頂的棧幀是當前正在執行的活動棧，也就是當前正在執行的方法，PC 寄存器也會指向這個地址。只有這個活動的棧幀的本地變量能夠被操做數棧使用，當在這個棧幀中調用另外一個方法，與之對應的棧幀又會被建立，新建立的棧幀壓入棧頂，變爲當前的活動棧幀。

方法結束後，當前棧幀被移出，棧幀的返回值變成新的活動棧幀中操做數棧的一個操做數。若是沒有返回值，那麼新的活動棧幀中操做數棧的操做數沒有變化。

因爲Java 虛擬機棧是與線程對應的，數據不是線程共享的，所以不用關心數據一致性問題，也不會存在同步鎖的問題。

Java 虛擬機棧的特色

• 局部變量表隨着棧幀的建立而建立，它的大小在編譯時肯定，建立時只需分配事先規定的大小便可。在方法運行過程當中，局部變量表的大小不會發生改變。

• Java 虛擬機棧會出現兩種異常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

  • StackOverFlowError
    

若 Java 虛擬機棧的大小不容許動態擴展，那麼當線程請求棧的深度超過當前 Java 虛擬機棧的最大深度時，拋出 StackOverFlowError 異常。

• OutOfMemoryError
  

若容許動態擴展，那麼當線程請求棧時內存用完了，沒法再動態擴展時，拋出 OutOfMemoryError 異常。

• Java 虛擬機棧也是線程私有，隨着線程建立而建立，隨着線程的結束而銷燬。

出現 StackOverFlowError 時，內存空間可能還有不少。

本地方法棧（C 棧）

本地方法棧的定義

本地方法棧是爲 JVM 運行 Native 方法準備的空間，因爲不少 Native 方法都是用 C 語言實現的，因此它一般又叫 C 棧。它與 Java 虛擬機棧實現的功能相似，只不過本地方法棧是描述本地方法運行過程的內存模型。

棧幀變化過程

本地方法被執行時，在本地方法棧也會建立一塊棧幀，用於存放該方法的局部變量表、操做數棧、動態連接、方法出口信息等。

方法執行結束後，相應的棧幀也會出棧，並釋放內存空間。也會拋出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 異常。

若是 Java 虛擬機自己不支持 Native 方法，或是自己不依賴於傳統棧，那麼能夠不提供本地方法棧。若是支持本地方法棧，那麼這個棧通常會在線程建立的時候按線程分配。

堆

堆的定義

堆是用來存放對象的內存空間，幾乎全部的對象都存儲在堆中。

堆的特色

• 線程共享，整個 Java 虛擬機只有一個堆，全部的線程都訪問同一個堆。而程序計數器、Java 虛擬機棧、本地方法棧都是一個線程對應一個。
• 在虛擬機啓動時建立。
• 是垃圾回收的主要場所。
• 進一步可分爲：新生代(Eden區 From Survior To Survivor)、老年代。

不一樣的區域存放不一樣生命週期的對象，這樣能夠根據不一樣的區域使用不一樣的垃圾回收算法，更具備針對性。

堆的大小既能夠固定也能夠擴展，但對於主流的虛擬機，堆的大小是可擴展的，所以當線程請求分配內存，但堆已滿，且內存已沒法再擴展時，就拋出 OutOfMemoryError 異常。

Java 堆所使用的內存不須要保證是連續的。而因爲堆是被全部線程共享的，因此對它的訪問須要注意同步問題，方法和對應的屬性都須要保證一致性。

方法區

方法區的定義

Java 虛擬機規範中定義方法區是堆的一個邏輯部分。方法區存放如下信息：

• 已經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

方法區的特色

• 線程共享。
  

方法區是堆的一個邏輯部分，所以和堆同樣，都是線程共享的。整個虛擬機中只有一個方法區。

• 永久代。
  

方法區中的信息通常須要長期存在，並且它又是堆的邏輯分區，所以用堆的劃分方法，把方法區稱爲「永久代」。

• 內存回收效率低。
  

方法區中的信息通常須要長期存在，回收一遍以後可能只有少許信息無效。主要回收目標是：對常量池的回收；對類型的卸載。

• Java 虛擬機規範對方法區的要求比較寬鬆。
  

和堆同樣，容許固定大小，也容許動態擴展，還容許不實現垃圾回收。

運行時常量池

方法區中存放：類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼。常量就存放在運行時常量池中。

當類被 Java 虛擬機加載後， .class 文件中的常量就存放在方法區的運行時常量池中。並且在運行期間，能夠向常量池中添加新的常量。如 String 類的 intern() 方法就能在運行期間向常量池中添加字符串常量。

直接內存(堆外內存)

直接內存是除 Java 虛擬機以外的內存，但也可能被 Java 使用。

操做直接內存

在 NIO 中引入了一種基於通道和緩衝的 IO 方式。它能夠經過調用本地方法直接分配 Java 虛擬機以外的內存，而後經過一個存儲在堆中的DirectByteBuffer對象直接操做該內存，而無須先將外部內存中的數據複製到堆中再進行操做，從而提升了數據操做的效率。

直接內存的大小不受 Java 虛擬機控制，但既然是內存，當內存不足時就會拋出 OutOfMemoryError 異常。

直接內存與堆內存比較

• 直接內存申請空間耗費更高的性能
• 直接內存讀取 IO 的性能要優於普通的堆內存。
• 直接內存做用鏈： 本地 IO -> 直接內存 -> 本地 IO
• 堆內存做用鏈：本地 IO -> 直接內存 -> 非直接內存 -> 直接內存 -> 本地 IO

服務器管理員在配置虛擬機參數時，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，從而致使動態擴展時出現 OutOfMemoryError異常。