Java笔记 ·

JVM-JVM内存区域

暂且在这里记录下阅读《深入理解 Java 虚拟机》的笔记。由于第一次读,感觉各种新奇,所以这一遍难免会是大部分摘抄,也算是个人用来加深印象的一种方式,中间可能不定时穿插一些自己因疑惑搜到的名词解释或延伸资料。
此处略过了第一章Java以及虚拟机的发展史部分,从第二章的虚拟机内存开始,有兴趣的可以去 周志明 博士的 《深入理解 Java 虚拟机》的原书中查看。

修正记录

最开始因为书的目录,将这里定义成了Java内存区域,最近了解并发发现表述有误,返回去仔细看了下,原书中在相关章节的概述中已说明这里是Java虚拟机内存的各个区域,故今日更正为JVM内存区域。
-2019.08.14

运行时数据区域

JVM在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域,都有着各自的用途以及创建和销毁时间。包括以下几个如图所示的运行时数据区域:

图片发自简书App

1、程序计数器(Program Counter Register)

一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器

在概念模型中,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执行的字节码指令。

分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

JVM的多线程是通过线程轮流切换分配处理器执行时间的方式实现的。

任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。

为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存

  • 若线程在执行一个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;
  • 若执行的是Native方法,这个计数器的值则为空(Undefined)。

关于异常

此内存区域是唯一一个JVM规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Native方法简介

Native方法亦称为本地方法,在java源程序中以关键字“native”声明,不提供函数体。

native关键字说明其修饰的方法是一个原生态方法,方法对应的实现不是在当前文件,而是在用其他语言(如C和C++)实现的文件中。

编写的规则遵循Java本地接口的规范(简称JNI)。

Java语言本身不能对操作系统底层进行访问和操作,但是可以通过JNI接口调用其他语言来实现对底层的访问。

简而言就是Java中声明的可调用的使用C/C++等其他语言实现的方法

参考
1、java的native方法,谁能简明明确得讲下?
2、Java中native的用法
3、Java的native方法

2、Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

简称VM Stack。Java虚拟机栈也是线程私有的,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:

  • 每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息

  • 每个方法从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

  • 栈帧方法运行时基础数据结构

常有人把Java内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),此分法比较粗糙,其流行只能说明大多数程序员最关注的,与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“栈”就是现在说的虚拟机栈,或者说是虚拟栈中局部变量表部分

局部变量表

存放内容
  • 编译可知的各种基本类型:boolean、byte、char、short、int、long、float、double
  • 对象引用:reference类型,它不等同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置。
  • returnAddress类型:指向了一条字节码指令的地址。

64位的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(Slot),其余的数据类型只占用一个。

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法,这个方法需要在帧中分配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。

关于异常

在Java虚拟机规范中,对这区域规定了两种异常情况:
- 1、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
- 2、如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展,只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈),如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoyError异常

3、本地方法栈(Native Method Stack)

本地方法栈与虚拟机栈发挥的作用相似,区别是:
- Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(即字节码)服务。
- 本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。

因为虚拟机规范对本地方法栈使用的语言,使用方法与数据结构没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现,甚至有的虚拟机直接合二为一。Sun HostSopt虚拟机就是将两者合二为一了。

关于异常

本地方法栈也会抛出StackOverfloeErrorOutOfMemoyError异常。

4、Java堆 (Java Heap)

对于大多数应用来说,Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块区域,在虚拟机启动时创建。

目的

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。

对此Java虚拟机规范中的描述是:所有对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微秒的变化发生,所有对象都分配在对上也渐渐变得不是那么“绝对”。

“GC堆”

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称为“GC堆”。

a、从内存回收角度看:

由于现在的收集器基本都是采用分代收集算法,所以Java堆可以细分为:新生代老年代

再细分有:Eden空间From Survivor空间ToSurvivor空间等。

b、从内存分配的角度看

线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TIAB)。

无论怎样划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的都仍然是对象实例

进一步划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存

关于异常

JVM规范规定:
1、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,就像我们磁盘一样。
2、在实现时,既可以实现固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的JVM都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。

如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

5、方法区(Method Area)

Java堆一样,是各线程共享的内存区域。

虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它有一个别名叫Non-Heap(非堆),目的应该是与Java堆区分开。

作用

用于存储已被虚拟机加载的类信息常量静态变量即时编译器编译后的代码等数据。

“永久代”

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说,很多人更愿意将方法区称为“永久代”(Permanent Generation)。

本质上两者并不等价,仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区而已,这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存

不足

对于其他虚拟机来说是不存在永久代的概念的。规范原则上并不约束方法区的实现,但目前来看使用永久代并不是好主意,因为更容易出现内存溢出。

永久代有-XX:MaxPermSize的上限,J9和JRockit只要不触碰进程可用内存上限,如32位系统的4GB就不会出问题。

有极少数的方法(如String.intern())会因这个原因导致不同虚拟机下有不同表现。

对于HotSpot虚拟机,现在也有放弃永久代改用Native Memory来实现的规划。在JDK1.7的HotSpot中,已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。

关于垃圾回收

方法区和Java堆一样不需要连续的内存和可选择固定或可扩展,还可以选择不实现垃圾收集。

这一区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载,一般来说回收“成绩”不太好,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻但确实是必要的。HotSpot曾有好多因此处未完全回收导致的内存泄露。

关于异常

方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

6、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字段方法接口等描述信息外,还有一项信息是常量池,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后进入方法去的运行时常量池中存放。

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。

动态性

相对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有编译期才能产生,也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中。

该特性被开发人员用的较多的便是String类的intern()方法。

关于异常

因是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

String类的intern()方法

返回字符串对象的规范化表示形式。

存在于.class文件中的常量池,在运行期间被jvm装载,并且可以扩充。

String的intern()方法就是扩充常量池的一个方法;

当一个String实例str调用intern()方法时,java查找常量池中是否有相同unicode的字符串常量,如果有,则返回其引用,如果没有,则在常量池中增加一个unicode等于str的字符串并返回它的引用。

此处说的比较浅显,深入可看下面的参考与扩展资料中的链接。

参考与扩展资料

String类的intern()方法是什么?
 Java技术——你真的了解String类的intern()方法吗
使用String的intern方法节省内存
String的Intern方法详解

Class文件中常量池

常量池,constant_pool是一种表结构,它包含 Class 文件结构及其子结构中引用的所有字符串常量、 类或接口名、字段名和其它常量。 常量池中的每一项都具备相同的格式特征——第一个字节作为类型标记用于识别该项是哪种类型的常量,称为 “tag byte” 。常量池的索引范围是 1 至constant_pool_count−1。

Class文件结构图

这里说的比较简单,具体的可以查看参考资料中的资料,感觉这个系列比较有帮助,本图也是转的该资料文章的。
Class文件结构图

参考资料

《Java虚拟机原理图解》 1.1、class文件基本组织结构

7、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,但这部分内存也被频繁使用,且可能发生OutOfMemoryError异常。

JDK1.4中加入了NIO(new Input/Output)类,引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式,它可以使用Native函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java堆的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。可在一些场景中显著提高性能,因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

关于异常

本机直接内存的分配不受Java堆大小的限制,但是肯定受本机总内存(包含RAM以及SWAP区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制。
服务器管理员在配置虚拟机参数时,会根据实际内存设置-Xmx等参数是信息,但经常忽略直接内存,使得各内存区域总和大于物理内存限制(包括物理的和操作系统级的限制),从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

参与评论