走进JVM【二】理解JVM内存区域

引言

对于C++程序员，内存分配与回收的处理一直是令人头疼的问题。Java由于自身的自动内存管理机制，使得管理内存变得非常轻松，不容易出现内存泄漏，溢出的问题。

不容易不代表不会出现问题，一旦内存泄漏或溢出的情况发生，调试起来会变得非常困难。这就要求我们对虚拟机的内存区域有深入的理解。最终能够判断内存方面的异常发生时，具体在JVM中的位置。

内存区域

JVM运行时，首先需要类加载器(ClassLoader) 加载所需类的字节码，加载完毕交由执行引擎执行，执行过程中需要一段空间来存储数据(类比CPU与主存)。这段内存空间的分配和释放过程正是我们所关心的，称为运行时数据区。

对于CS相关从业者，深入理解操作系统的内存的层次结构，分配与垃圾收集过程都是大有裨益的。同理，欲定位内存问题的出现区域，必须剖析运行时数据区。

运行时数据区

如上图所示，运行时数据区包括：程序计数器(即PC寄存器)，Java 虚拟机栈(VM Stack)，Java 堆(Heap)，方法区(Method Area)，本地方法栈(Native Method Stack)。下面带领大家深入理解各个数据区域。

JVM实际上就是一台虚拟的计算机，目的是为了实现"一次编译，处处执行"。所以，在理解运行时数据区时，完全可以与操作系统系统内存，寄存器类比学习。

程序计数器

每条虚拟机中的线程都有自己的寄存器，称之为程序计数器(PC)。为了保证线程之间的独立性，因而PC内的空间是线程私有的。

线程私有：只能本线程访问的区域，其他线程无权访问。

程序计数器的作用

虚拟机中的多线程通过线程轮转调度，为每条线程分配时间片来实现并发执行。同一时刻，处理机只能执行一条线程。当切换到另外一条线程时，若不保存当前未执行完线程的执行位置，下次处理机再执行这条线程时，又要重新开始执行。这种情况显然是不能容忍的。

引入程序计数器的目的，就是为了记录线程的执行情况，便于下次切换后进行线程恢复。

程序计数器的机制

如何记录线程的执行情况？其实也并不复杂，只需要记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址。如果运行的是Native(本地)方法，计数器的值为Undefined。

程序计数器是唯一没有OutOfMemoryError异常的区域。

Java 虚拟机栈

每个Java方法执行时，需要分配内存空间来存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。将这部分内存称之为栈帧(Stack Frame)。虚拟机栈用于存储栈帧，是Java方法执行的内存模型。

显然我们需要为每个执行的方法分配栈空间，因此Java虚拟机栈也是线程私有的。

虚拟机栈的作用

虚拟机栈记录Java方法执行的过程。每个方法开始执行时，为之创建一个栈帧记录信息；方法执行到完成的过程，对应栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表

局部变量表是栈帧中的重要部分。存放编译期定义的基本数据类型, 对象引用(相当于对象地址)，及returnAddress类型(字节码指令地址)。

局部变量表空间在编译期间分配，执行方法的过程中不会改变其大小。

异常

当线程请求的栈深度大于所允许的深度，抛出StackOverflowError异常。
长度不够时，虚拟机栈可进行动态扩展，申请内存。若无法申请到足够的内存，抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈类似，区别是虚拟机栈记录执行的Java方法，本地方法栈则记录Native方法。

本地方法栈同样会抛出StackOverflowError与OutOfMemoryError异常。

Java 堆

Java堆用于存储对象实例，为所有对象分配内存空间。

所有对象实例都要在堆上分配空间，因此Java堆是所有线程的共享区域。对象的生命周期结束后，Java堆还要负责内存回收，因此Java堆也常被称之为GC堆(Garbage Collected Heap)。

内存模型

从内存回收的角度，Java堆可以分为新生代（Young Generation）与老生代(Old Generation)。这种划分的方式，是为了更好的回收内存(老生代内存会被优先回收)。

如图，新生代还可以分为Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。

永久代(Permanent Generation)用于存储静态类型数据，与垃圾收集器关系不大。

注意：本图展示的是JVM堆的内存模型，JVM堆内存包括Java堆区域和永久代区域。因此，永久代不属于Java堆。

异常

Java堆同样可扩展(-Xmx与-Xms参数)。若堆中内存已无法为对象实例分配且无法再扩展，抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区存储类信息、常量、静态变量等数据，是线程共享的区域。为与Java堆区分，方法区还有一个别名Non-Heap(非堆)。

方法区≠永久代

方法区就是永久代？并非如此。

HotSpot虚拟机选择用永久代来实现方法区，从而省去了为方法区编写内存管理代码的工作。这只是一种实现方式，其他虚拟机(BEA JRockit，IBM J9)都不存在永久代这一概念。

通过永久代来实现方法区容易造成内存溢出，未来也可能会被替代。

在虚拟机规范中，方法区的实现没有明确的规定，因此不能将方法区等同于永久代。

异常

当方法区无法满足内存分配的需要时，抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

运行时常量池(Runtime Constant Pool)用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

运行时常量池具备动态性，使得运行期间也可将新的常量放入池中。例如String类的intern() 方法。

package intern;public class Main1 {public static void main(String[] args) {String s0= "I'm coding";   String s1=new String("I'm coding");   String s2=new String("I'm coding");   system.out.println( s0==s1 );  System.out.println( s0==s1.intern());   s2=s2.intern();  System.out.println( s0==s2 );   }
}

输出结果

false
true
true

本例中，s0直接保存在常量池，s1与s2的对象实例存储在Java堆中。==直接比较对象的hashCode，因此第一行输出false。s1.intern()方法返回s1在常量池中的引用，没有则创建。
s1存放的字符串已经在常量池中存在，直接返回s0的引用，第二行输出true。
同理，s2接收了s2.intern()的返回值，字符串值与s0相同，第三行输出true。

运行时常量池是方法区的一部分，因此受方法区内存的限制。当无法申请到内存时，抛出OutOfMemoryError异常。