java 内存 区域 (JDK-1.7)

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域,这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的随着虚拟机进程启动而存在,有的区域则依赖于用户线程的启动和结束而建立和销毁。

根据《Java 虚拟机规范》的规定,Java 虚拟机所管理的内存一共分为 Program Counter Register(程序计数器)、VM Stack(虚拟机栈)、Native Method Stack(本地方法栈)、Heap(堆)、Method Area(方法区)五个区域。

基于JDK 1.7

(1) Java虚拟机运行时数据区

 Java虚拟机运行时数据区 - 大小和实际内存大小有差距
Java虚拟机运行时数据区 (仅参考模型)

 Java虚拟机运行时数据区-大概比例
Java虚拟机运行时数据区-大概比例

(1.1) 程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器(Program Counter Register),简称PC, 是一块较小的空间,可以看成为当前线程所执行的字节码的行号指示器。

在虚拟机的概念模型里,字节码解释器工作时,通过改变线程计数器的值来选取下一条需要执行的指令。包括分支、循环、跳转、异常福利、线程恢复等功能都是依赖它完成。

由于Java虚拟机的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来实现的,在任何一个确定时刻,一个处理器(对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,各条线程之间计数器互不影响,独立存储,这类内存区域为 “线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是Java方法,那么这个计数器的值就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Native方法,这个计数器值为空(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。

(1.2) Java虚拟机栈(Java Virtal Machine Stack)

Java虚拟机栈 (Java Virtal Machine Stack)也是线程私有的,它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:每个方法执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

每一个方法从调用直至完成的过程,就对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。
其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(slot),其余的数据类型占1个。

局部变量表所需的内存空间在编译期间分配完成,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。

如果线程请求栈的深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出 StackOverflowError 异常;
如果扩展时无法申请到足够的内存,会抛出 OutOfMemoryError 异常。

(1.3) 本地方法栈(Native Method Stack)

本地方法栈 (Native Method Stack)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行java方法,而本地栈则为虚拟机使用到的Native方法(和操作系统有关)服务。

(1.4) 堆(Heap)

Java (Heap) 是线程共享的,在虚拟机启动时创建。此区域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。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称作“GC堆”。由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以Java堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

根据Java虚拟机规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要是逻辑上连续的即可。在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。

如果堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法扩展,将会抛出 OutOfMermoryError 异常。

(1.5) 方法区(Method Area)

方法区 与Java堆一样,是各个线程共享的区域,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。

Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是却有一个别名叫做非堆(Non-Heap)。
习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署的开发者来说,很多人更愿意把方法区称为永久代 ( Pemanent 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分代手机扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区。

方法区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。

当方法区无法满足内存分配的需求时,将会抛出 OutOfMermoryError 异常。

(1.6) 运行时常量池(Run-Time Constant Pool)

运行时常量池 (Run-Time Constant Pool)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,还有一项信息就是常量池,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区的运行时常量池中存放。

当常量池无法再申请到内存时,将会抛出 OutOfMermoryError 异常。

(1.7) 直接内存(Direct Memory)

直接内存 不是虚拟机运行时数据区的一部分。也不是Java规范规定的属于Java虚拟机运行时数据区的一部分。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。

在JDK1.4中新加入了NIO类,引入了一种基于通道与缓存区(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堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能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。

本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制,但还是受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。
如果忽略直接内存,使得各个内存区域总和大于物理内存限制(包括物理好的和操作系统的限制),从而导致动态扩展时出现 OutOfMermoryError 异常。

(1.8) Java SE 7 规范的典型的 JVM 核心内部组件

 Java SE 7 规范的典型的 JVM 核心内部组件
Java SE 7 规范的典型的 JVM 核心内部组件

(2) OOM可能发生在哪些区域上?

内存区域 是否线程私有 是否可能发生OOM
程序计数器
虚拟机栈
本地方法栈
方法区
直接内存

References

[1] 《深入理解Java虚拟机》 周志明
[2] 关于JVM内存的N个问题
[3] JVM内幕:Java虚拟机详解