运行时内存布局

运行时内存布局

Java 运行时内存详解

1. 概述

Java 虚拟机 (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。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有些区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

JVM 运行时内存区域主要包括以下几个部分：

1. 程序计数器（Program Counter Register）
2. Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）
3. 本地方法栈（Native Method Stack）
4. Java 堆（Java Heap）
5. 方法区（Method Area）

其中，程序计数器、Java 虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的，Java 堆和方法区是线程共享的。

2. 各个内存区域详解

2.1 程序计数器（Program Counter Register）

• 作用: 记录当前线程执行的字节码指令的地址。
• 特点:
  • 线程私有，每个线程都有一个独立的程序计数器。
  • 生命周期与线程相同。
  • 是 JVM 规范中唯一没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
  • 如果线程正在执行 Java 方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地方法，则计数器值为空（Undefined）。
• 用途:
  • 多线程环境下，线程切换后能恢复到正确的执行位置。

2.2 Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

• 作用: 描述 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。
• 特点:
  • 线程私有，每个线程都有一个独立的 Java 虚拟机栈。
  • 生命周期与线程相同。
  • 会出现两种异常：StackOverflowError (栈深度超过虚拟机允许的最大深度) 和 OutOfMemoryError (如果 JVM 允许动态扩展栈的大小，当扩展时无法申请到足够的内存)。
• 栈帧 (Stack Frame):
  • 局部变量表: 存储方法参数和方法内部定义的局部变量。 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多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。
  • 操作数栈: 用于存放方法执行过程中产生的中间结果。 类似于 CPU 的寄存器，用于执行算术运算、方法调用等操作。
  • 动态链接: 指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，目的是支持动态链接。
  • 方法出口: 记录方法正常退出或异常退出时的返回地址。

2.3 本地方法栈（Native Method Stack）

• 作用: 与 Java 虚拟机栈的作用相似，区别在于 Java 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。
• 特点:
  • 线程私有，每个线程都有一个独立的本地方法栈。
  • 生命周期与线程相同。
  • 具体实现由不同的 JVM 实现决定。 Sun HotSpot 虚拟机直接将本地方法栈和 Java 虚拟机栈合二为一。
  • 也会出现 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。
• Native 方法: 用 native 关键字修饰的方法，通常由 C/C++ 编写，用于访问操作系统底层资源。

2.4 Java 堆（Java Heap）

• 作用: 用于存放对象实例。 几乎所有的对象实例都在堆中分配内存，是 JVM 管理的内存中最大的一块。
• 特点:
  • 线程共享，所有线程都可以访问堆中的对象。
  • 是垃圾收集器管理的主要区域，也称为“GC 堆”（Garbage Collected Heap）。
  • 可以通过 -Xms (初始堆大小) 和 -Xmx (最大堆大小) 参数设置堆的大小。
  • 会出现 OutOfMemoryError 异常。
• 堆的结构 (HotSpot 虚拟机):
  • 新生代 (Young Generation): 存放新创建的对象。 新生代又分为 Eden 区和两个 Survivor 区 (From Survivor 和 To Survivor)。
  • 老年代 (Old Generation): 存放经过多次垃圾回收仍然存活的对象。
  • （JDK8 以后）元空间 (Metaspace): 存放类的元数据信息、常量池等。 元空间并不在堆中，而是直接使用本地内存。
• 对象分配:
  • 新对象通常分配在 Eden 区。
  • 当 Eden 区满时，会触发 Minor GC (也称为 Young GC)，将 Eden 区和 From Survivor 区中存活的对象复制到 To Survivor 区，并清空 Eden 区和 From Survivor 区。
  • 当 To Survivor 区也满时，会将部分对象晋升到老年代。
  • 当老年代也满时，会触发 Full GC (也称为 Major GC)，清理整个堆空间。

2.5 方法区（Method Area）

• 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。
• 特点:
  • 线程共享，所有线程都可以访问方法区中的数据。
  • 可以选择不实现垃圾收集，垃圾收集行为在这个区域出现的频率相对较低。
  • 可以通过 -XX:MetaspaceSize (初始元空间大小) 和 -XX:MaxMetaspaceSize (最大元空间大小) 参数设置方法区的大小。
  • 会出现 OutOfMemoryError 异常。
• 重要组成部分:
  • 运行时常量池 (Runtime Constant Pool): 是类加载后常量池表在 JVM 内存中的表示形式。 运行时常量池相对于 Class 文件常量池具备更动态的特性，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，这种特性被开发人员利用得比较多的便是 String 类的 intern() 方法。
• JDK 8 永久代 (Permanent Generation) 的变化:
  • 在 JDK 7 及之前，HotSpot 虚拟机使用永久代来实现方法区。 永久代位于堆中，受堆内存大小的限制，并且容易发生内存溢出。
  • 在 JDK 8 中，HotSpot 虚拟机使用元空间（Metaspace）来代替永久代。 元空间并不在堆中，而是直接使用本地内存，从而避免了永久代的问题。
  • 字符串常量池从永久代移到堆中。
  • 类的元数据信息、常量池等从永久代移到元空间。

3. 总结

理解 JVM 运行时内存区域对于理解 JVM 的运行机制、进行性能调优至关重要。 掌握各个区域的作用、特点以及可能出现的异常，有助于我们更好地编写高效、稳定的 Java 程序。