一篇文章总结Java虚拟机内存区域模型

最近抽空看了一点《深入理解Java虚拟机》,本篇文章主要来总结一下Java虚拟机内存的各个区域,以及这些区域的作用、服务对象以及其中可能产生的问题,作为大家的面试宝典。

参考原地址

一、JVM内存模型图解

JVM 运行时数据区 (JVM Runtime Area) 其实就是指 JVM
在运行期间,其对JVM内存空间的划分和分配。网上找到两幅图如下所示(个人认为第二个图Native
Method Stack应该画在Java Thead模块中):

图片 1

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图片 2

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Java虚拟机(Java Virtual Machine=JVM)的内存空间分为五个部分,分别是:1.
程序计数器2. Java虚拟机栈3. 本地方法栈4. 堆5. 方法区。

二、各数据区域介绍

首先我们来看一下Java运行时的数据区域,Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分成若干个不同的数据区域,这些区域都有各自的用途,各自的创建和销毁的时间。有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

下面对这五个区域展开深入的介绍。

1、栈区

栈分为java虚拟机栈和本地方法栈

重点是Java虚拟机栈(VM Stack),它是线程私有的,生命周期与线程相同

每个方法执行都会创建一个栈帧,用于存放局部变量表,操作栈,动态链接,方法出口等。每个方法从被调用,直到被执行完。对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

通常说的栈就是指局部变量表部分,存放编译期间可知的8种基本数据类型,及对象引用和指令地址。局部变量表是在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个栈中的局部变量分配内存大小是确定的。

会有两种异常StackOverFlowError和
OutOfMemoneyError。当线程请求栈深度大于虚拟机所允许的深度就会抛出StackOverFlowError错误;虚拟机栈动态扩展,当扩展无法申请到足够的内存空间时候,抛出OutOfMemoneyError。

本地方法栈为虚拟机使用到的本地方法服务(native),也是线程私有的。

我们来看一下Java虚拟机运行时的数据区

1.1. 什么是程序计数器?

程序计数器是一块较小的内存空间,可以把它看作当前线程正在执行的字节码的行号指示器。也就是说,程序计数器里面记录的是当前线程正在执行的那一条字节码指令的地址。注:但是,如果当前线程正在执行的是一个本地方法,那么此时程序计数器为空。

2、堆区

堆被所有线程共享区域,在虚拟机启动时创建,唯一目的存放对象实例。

堆区是gc的主要区域,通常情况下分为两个区块年轻代和年老代。更细一点年轻代又分为Eden区最要放新创建对象,From
survivor 和 To survivor 保存gc后幸存下的对象,默认情况下各自占比
8:1:1。
不过很多文章介绍分为3个区块,把方法区算着为永久代。这大概是基于Hotspot虚拟机划分,
然后比如IBM j9就不存在永久代概论。不管怎么分区,都是存放对象实例。

会有异常OutOfMemoneyError

图片 3

1.2. 程序计数器的作用

程序计数器有两个作用:

  1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令,从而实现代码的流程控制,如:顺序执行、选择、循环、异常处理。
  2. 在多线程的情况下,程序计数器用于记录当前线程执行的位置,从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

3、方法区

被所有线程共享区域,用于存放已被虚拟机加载的类信息,常量,静态变量等数据。被Java虚拟机描述为堆的一个逻辑部分。习惯是也叫它永久代(permanment
generation)

垃圾回收很少光顾这个区域,不过也是需要回收的,主要针对常量池回收,类型卸载。

常量池用于存放编译期生成的各种字节码和符号引用,常量池具有一定的动态性,里面可以存放编译期生成的常量;运行期间的常量也可以添加进入常量池中,比如string的intern()方法。

结合这张图,下面逐个来分析一下每个数据区域的特点。

1.3. 程序计数器的特点

  1. 是一块较小的存储空间
  2. 线程私有。每条线程都有一个程序计数器。
  3. 是唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域。
  4. 生命周期随着线程的创建而创建,随着线程的结束而死亡。

4、程序计数器

当前线程所执行的行号指示器。通过改变计数器的值来确定下一条指令,比如循环,分支,跳转,异常处理,线程恢复等都是依赖计数器来完成。

Java虚拟机多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式实现的。为了线程切换能恢复到正确的位置,每条线程都需要一个独立的程序计数器,所以它是线程私有的。

唯一一块Java虚拟机没有规定任何OutofMemoryError的区块

1**. 程序计数器**

2.1. 什么是Java虚拟机栈?

Java虚拟机栈是描述Java方法运行过程的内存模型。Java虚拟机栈会为每一个即将运行的Java方法创建一块叫做“栈帧”的区域,这块区域用于存储该方法在运行过程中所需要的一些信息,这些信息包括:

  1. 局部变量表存放基本数据类型变量、引用类型的变量、returnAddress类型的变量。
  2. 操作数栈
  3. 动态链接
  4. 方法出口信息

当一个方法即将被运行时,Java虚拟机栈首先会在Java虚拟机栈中为该方法创建一块“栈帧”,栈帧中包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。当方法在运行过程中需要创建局部变量时,就将局部变量的值存入栈帧的局部变量表中。当这个方法执行完毕后,这个方法所对应的栈帧将会出栈,并释放内存空间。

注意:人们常说,Java的内存空间分为“栈”和“堆”,栈中存放局部变量,堆中存放对象。这句话不完全正确!这里的“堆”可以这么理解,但这里的“栈”只代表了Java虚拟机栈中的局部变量表部分。真正的Java虚拟机栈是由一个个栈帧组成,而每个栈帧中都拥有:局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。

三、OutOfMemoryError和StackOverFlowError

程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。什么意思呢?我们知道,CPU的计算时间是以分片的方式给到每个线程的(换句话说,所谓并行其实本质上还是串行),比如线程A执行到一个地方,CPU将控制权给了线程B,那么线程A重新获得CPU的资源时,如何恢复到刚才执行的地方呢?这就是程序计数器要干的事了!它能帮助线程A找到刚刚执行的地方,从而继续刚刚的执行。

2.2. Java虚拟机栈的特点

  1. 局部变量表的创建是在方法被执行的时候,随着栈帧的创建而创建。而且,局部变量表的大小在编译时期就确定下来了,在创建的时候只需分配事先规定好的大小即可。此外,在方法运行的过程中局部变量表的大小是不会发生改变的。
  2. Java虚拟机栈会出现两种异常:StackOverFlowError和OutOfMemoryError。a)
    StackOverFlowError:若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展,那么当线程请求栈的深度超过当前Java虚拟机栈的最大深度的时候,就抛出StackOverFlowError异常.b)
    OutOfMemoryError:若Java虚拟机栈的内存大小允许动态扩展,且当线程请求栈时内存用完了,无法再动态扩展了,此时抛出OutOfMemoryError异常。
  3. Java虚拟机栈也是线程私有的,每个线程都有各自的Java虚拟机栈,而且随着线程的创建而创建,随着线程的死亡而死亡。

注:StackOverFlowError和OutOfMemoryError的异同?

StackOverFlowError表示当前线程申请的栈超过了事先定好的栈的最大深度,但内存空间可能还有很多。而OutOfMemoryError是指当线程申请栈时发现栈已经满了,而且内存也全都用光了。

1、stackoverflow:

每当java程序启动一个新的线程时,java虚拟机会为他分配一个栈,java栈以帧为单位保持线程运行状态;当线程调用一个方法是,jvm压入一个新的栈帧到这个线程的栈中,只要这个方法还没返回,这个栈帧就存在。
如果方法的嵌套调用层次太多(如递归调用),随着java栈中的帧的增多,最终导致这个线程的栈中的所有栈帧的大小的总和大于-Xss设置的值,而产生生StackOverflowError溢出异常。

为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,就要求每个线程都需要有个独立的程序计数器,各条线程之间的计数器互不影响,独立存储。所以程序计数器是线程私有的。

3.1. 什么是本地方法栈?

本地方法栈和Java虚拟机栈实现的功能类似,只不过本地方法区是本地方法运行的内存模型。

本地方法被执行的时候,在本地方法栈也会创建一个栈帧,用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间。

也会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常。

2、outofmemory:

2.1、栈内存溢出

java程序启动一个新线程时,没有足够的空间为改线程分配java栈,一个线程java栈的大小由-Xss设置决定;JVM则抛出OutOfMemoryError异常。

2.2、堆内存溢出

java堆用于存放对象的实例,当需要为对象的实例分配内存时,而堆的占用已经达到了设置的最大值(通过-Xmx)设置最大值,则抛出OutOfMemoryError异常。

2.3、方法区内存溢出

方法区用于存放java类的相关信息,如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。在类加载器加载class文件到内存中的时候,JVM会提取其中的类信息,并将这些类信息放到方法区中。
当需要存储这些类信息,而方法区的内存占用又已经达到最大值(通过-XX:MaxPermSize);将会抛出OutOfMemoryError异常对于这种情况的测试,基本的思路是运行时产生大量的类去填满方法区,直到溢出。这里需要借助CGLib直接操作字节码运行时,生成了大量的动态类。

另外,程序计数器是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

4.1. 什么是堆?

堆是用来存放对象的内存空间。几乎所有的对象都存储在堆中。

2**. Java虚拟机栈**

4.2. 堆的特点

  1. 线程共享整个Java虚拟机只有一个堆,所有的线程都访问同一个堆。而程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈都是一个线程对应一个的。
  2. 在虚拟机启动时创建
  3. 垃圾回收的主要场所。
  4. 可以进一步细分为:新生代、老年代。新生代又可被分为:Eden、From
    Survior、To
    Survior。不同的区域存放具有不同生命周期的对象。这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法,从而更具有针对性,从而更高效。
  5. 堆的大小既可以固定也可以扩展,但主流的虚拟机堆的大小是可扩展的,因此当线程请求分配内存,但堆已满,且内存已满无法再扩展时,就抛出OutOfMemoryError。

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