JVM内存结构

发表于

概述

其实 Java 虚拟机的内存结构并不是官方的说法，在《Java 虚拟机规范》中用的是「运行时数据区」这个术语。但很多时候这个名词并不是很形象，再加上日积月累的习惯，我们都习惯用虚拟机内存结构这个说法了
根据《Java 虚拟机规范》中的说法，Java 虚拟机的内存结构可以分为公有和私有两部分。公有指的是所有线程都共享的部分，指的是 Java 堆、方法区、常量池。私有指的是每个线程的私有数据，包括：PC寄存器、Java 虚拟机栈、本地方法栈。

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公有部分

在 Java 虚拟机中，线程共享部分包括

Java堆

Java 堆指的是从 JVM 划分出来的一块区域，这块区域专门用于 Java 实例对象的内存分配，几乎所有实例对象都在会这里进行内存的分配。之所以说几乎是因为有特殊情况，有些时候小对象会直接在栈上进行分配，这种现象我们称之为「栈上分配」。这里并不深入介绍，后续有章节会介绍。
深入说说 Java 堆。

Java 堆根据对象存活时间的不同，Java 堆还被分为年轻代、老年代两个区域，年轻代还被进一步划分为 Eden 区、From Survivor 0、To Survivor 1 区。如下图所示。

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当有对象需要分配时，一个对象永远优先被分配在年轻代的 Eden 区，等到 Eden 区域内存不够时，Java 虚拟机会启动垃圾回收。此时 Eden 区中没有被引用的对象的内存就会被回收，而一些存活时间较长的对象则会进入到老年代。在 JVM 中有一个名为 -XX:MaxTenuringThreshold 的参数专门用来设置晋升到老年代所需要经历的 GC 次数，即在年轻代的对象经过了指定次数的 GC 后，将在下次 GC 时进入老年代。

这里让我们思考一个问题：为什么 Java 堆要进行这样一个区域划分呢？

根据我们的经验，虚拟机中的对象必然有存活时间长的对象，也有存活时间短的对象，这是一个普遍存在的正态分布规律。如果我们将其混在一起，那么因为存活时间短的对象有很多，那么势必导致较为频繁的垃圾回收。而垃圾回收时不得不对所有内存都进行扫描，但其实有一部分对象，它们存活时间很长，对他们进行扫描完全是浪费时间。因此为了提高垃圾回收效率，分区就理所当然了。

另外一个值得我们思考的问题是：为什么默认的虚拟机配置，Eden：from ：to = 8:1:1 呢？

其实这是IBM公司根据大量统计得出的结果。根据IBM公司对对象存活时间的统计，他们发现 80% 的对象存活时间都很短。于是他们将 Eden 区设置为年轻代的 80%，这样可以减少内存空间的浪费，提高内存空间利用率。

方法区、常量池

方法区与永久代、元空间（MetaSpace）

方法区是Java虚拟机规范中的概念，是一种Java虚拟机规范，而永久代，MetaSpace则是对方法区的不同实现。要区分二者的概念。

方法区指的是存储 Java 类字节码数据的一块区域，它存储了每一个类的结构信息，例如运行时常量池、字段和方法数据、构造方法等。可以看到常量池其实是存放在方法区中的，但《Java 虚拟机规范》将常量池和方法区放在同一个等级上。

方法区在不同版本的虚拟机有不同的表现形式，例如在 1.7 版本的 HotSpot 虚拟机中，方法区被称为永久代（Permanent Space），而在 JDK 1.8 中则被称之为 MetaSpace。

字符串常量池

并不是所有的常量池都在方法区中，因为自JDK 7起，原本存放在永久代的字符串常量池被移至Java堆之中，在JDK1.8环境下运行一下代码并不会导致方法区溢出（String::intern()是一个本地方法，它的作用是如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象的引用；否则，会将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用）

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arduino复制代码public class RuntimeConstantPoolOOM_1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用Set保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
        Set<String> set = new HashSet<String>();
        // 在short范围内足以让6MB的PermSize产生OOM了
        short i = 0;
        while (true) {
            set.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

相反，使用-Xmx参数限制最大堆到6MB就能够看到
-Xms6m -Xmx6m -Xss128k -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=E:\heapdump

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php复制代码Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.HashMap.newNode(HashMap.java:1750)
	at java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:631)
	at java.util.HashMap.put(HashMap.java:612)
	at java.util.HashSet.add(HashSet.java:220)
	at jvm.RuntimeConstantPoolOOM_1.main(RuntimeConstantPoolOOM_1.java:17)

说明JDK1.8把字符串常量池放在堆中

私有部分

Java 堆以及方法区的数据是共享的，但是有一些部分则是线程私有的。线程私有部分可以分为：PC 寄存器、Java 虚拟机栈、本地方法栈三大部分。

PC寄存器（程序计数器）

程序计数器（Program Counter Register）是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Java虚拟机的概念模型里，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需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，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。

注意：
如果线程正在执行的是一个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；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

为什么需要程序计数器 ？

由于Java虚拟机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来实现的，在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。因此，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。

Java 虚拟机栈

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Java 虚拟机栈，这个栈与线程同时创建，命周期与程序计数器相同，就是我们平时说的栈，用来存储栈帧，即存储局部变量与一些过程结果的地方。栈帧存储的数据包括：局部变量表、操作数栈等信息。

虚拟机栈-过程详情描述

①每创建一个线程，虚拟机就会为这个线程创建一个虚拟机栈，
②虚拟机栈表示Java方法执行的内存模型，每调用一个方法，就会生成一个栈帧（Stack Frame）用于存储方法的本地变量表、操作栈、方法出口等信息，当这个方法执行完后，就会弹出相应的栈帧。

本地方法栈

当 Java 虚拟机使用其他语言（例如 C 语言）来实现指令集解释器时，也会使用到本地方法栈。如果 Java 虚拟机不支持 natvie 方法，并且自己也不依赖传统栈的话，可以无需支持本地方法栈。

直接内存

直接内存（Direct Memory）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。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以我们放到这里一起讲解。

【参考】

【1】深入理解Java虚拟机（第3版）

【2】www.cnblogs.com/chanshuyi/p…

【3】blog.csdn.net/weixin_4539…

本文已参与「新人创作礼」活动， 一起开启掘金创作之路。

本文转载自: 掘金

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