JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)解析

最近在看《 JAVA并發(fā)編程實(shí)踐 》這本書，里面涉及到了 Java 內(nèi)存模型，通過(guò) Java 內(nèi)存模型順理成章的來(lái)到的 JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)，關(guān)于 JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)的認(rèn)知還停留在上大學(xué)那會(huì)的課堂上，一直沒(méi)有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)這一塊的知識(shí)，所以這一次我把《 深入理解Java虛擬機(jī)JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐 》、《 Java虛擬機(jī)規(guī)范 Java SE 8版 》這兩本書中關(guān)于 JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)的部分都看了一遍，算是對(duì) JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)。JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)是指：Java 虛擬機(jī)定義了若干種程序運(yùn)行期間會(huì)使用的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，其中有一些會(huì)隨著虛擬機(jī)啟動(dòng)而創(chuàng)建，隨著虛擬機(jī)退出而銷毀，另一些則與線程一一對(duì)應(yīng)，隨著線程的開(kāi)始而創(chuàng)建，隨著線程的結(jié)束而銷毀。具體的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)如下圖所示：

在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中，定義了五種運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，分別是 Java 堆、方法區(qū)、虛擬機(jī)棧、本地方法區(qū)、程序計(jì)數(shù)器，其中 Java 堆和方法區(qū)是線程共享的。接下來(lái)就具體看看這 五種運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)。

Java 堆（Heap）

Java 堆是所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，它在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí) 就會(huì)被創(chuàng)建，并且單個(gè) JVM 進(jìn)程有且僅有一個(gè) Java 堆。Java 堆是用來(lái)存放對(duì)象實(shí)例及數(shù)組，也就是說(shuō)我們代碼中通過(guò) new 關(guān)鍵字 new 出來(lái)的對(duì)象都存放在這里。所以這里也就成為了垃圾回收器的主要活動(dòng)營(yíng)地了，于是它就有了一個(gè)別名叫做 GC 堆，根據(jù)垃圾回收器的規(guī)則，我們可以對(duì) Java 堆進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，具體 Java 堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)如下圖所示：

我們可以將 Java 堆劃分為新生代和老年代兩個(gè)大模塊，在新生代中，我們又可以進(jìn)一步分為 Eden 空間、From Survivor 空間（s0）、To Survivor 空間（s1），Survivor 空間有一個(gè)為空，用于發(fā)生 GC 時(shí)存放存活對(duì)象，老年代存放的是經(jīng)過(guò)多次 Minor GC 仍然存活的對(duì)象或者是一些大對(duì)象，F(xiàn)GC 就是發(fā)生在老年代。

上面就是 Java 堆的具體結(jié)構(gòu)，我們也知道 Java 堆中的各空間大小，我們是可以動(dòng)態(tài)控制的，這個(gè)在圖中我也進(jìn)行了簡(jiǎn)單的標(biāo)注，下面我們一起來(lái)詳細(xì)的了解一下這三個(gè)參數(shù)：

• -Xms：JVM啟動(dòng)時(shí)申請(qǐng)的初始Heap值，默認(rèn)為操作系統(tǒng)物理內(nèi)存的1/64，例如-Xms20m
• -Xmx：JVM可申請(qǐng)的最大Heap值，默認(rèn)值為物理內(nèi)存的1/4，例如-Xmx20m，我們最好將 -Xms 和 -Xmx 設(shè)為相同值，避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配內(nèi)存；
• -Xmn：設(shè)置新生代的內(nèi)存大小，－Xmn 是將NewSize與MaxNewSize設(shè)為一致，我們也可以分別設(shè)置這兩個(gè)參數(shù)

在 Java 堆中會(huì)發(fā)生 OOM 異常，當(dāng)我們的 Java 堆內(nèi)有足夠的空間去完成實(shí)例分配時(shí)，并且堆也無(wú)法擴(kuò)展，將會(huì)拋出我們常見(jiàn)的OutOfMemoryError 異常，如下圖所示：

關(guān)于 OOM 異常，我還是想多說(shuō)一句，網(wǎng)上有一道非?；鸬拿嬖囶}：JVM 堆內(nèi)存溢出后，其他線程是否可繼續(xù)工作？，我個(gè)人覺(jué)得不少回答是錯(cuò)誤的，有興趣的可以研究一下。

方法區(qū)（Method Area）

方法區(qū)（Method Area）與 Java 堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，是 Java 虛擬機(jī)中唯二的內(nèi)存共享區(qū)域。在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中是這樣定義方法區(qū)的：它存儲(chǔ)了每個(gè)類的結(jié)構(gòu)信息，例如運(yùn)行時(shí)常量池、字段、方法數(shù)據(jù)、構(gòu)造函數(shù)和普通方法的字節(jié)碼內(nèi)容，還包括一些在類、實(shí)例、接口初始化時(shí)用到的特殊方法。

方法區(qū)在虛擬機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候被創(chuàng)建，雖然方法區(qū)是堆的邏輯組成部分，但是簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)可以選擇在這個(gè)區(qū)域不實(shí)現(xiàn)垃圾收集與壓縮，方法區(qū)在實(shí)際內(nèi)存空間中可以不是連續(xù)的，對(duì)于方法區(qū)的容量，你可以是固定的，也可以隨著程序的執(zhí)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，并且在不需要過(guò)多空間時(shí)自動(dòng)收縮。

上面都是 Java 虛擬機(jī)中的規(guī)范，來(lái)看看具體的實(shí)現(xiàn)，拿我們常用的 HotSpot 虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)，在 JDK1.8 之前，方法區(qū)也被稱作為永久代，這個(gè)方法區(qū)會(huì)發(fā)生我們常見(jiàn)的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 異常，我們也可以通過(guò)啟動(dòng)參數(shù)來(lái)控制方法區(qū)的大?。?/p>

• -XX:PermSize 設(shè)置最小空間
• -XX:MaxPermSize 設(shè)置最大空間

在 JDK1.8 之后，HotSpot 虛擬機(jī)對(duì)方法區(qū)進(jìn)行了不小的改動(dòng)，徹底移除了永久代，將原來(lái)存放在永久代的數(shù)據(jù)遷移至 Java 堆 或者 Metaspace，方法區(qū)被移至到了 Metaspace，字符串常量移至 Java Heap，換句話說(shuō)就是 JDK1.8 開(kāi)始，Metaspace 也就是我們所謂的方法區(qū)，為什么要做這個(gè)改變呢？也許是基于以下兩點(diǎn)原因：

• 由于 PermGen 內(nèi)存經(jīng)常會(huì)溢出，引發(fā)惱人的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen，因此 JVM 的開(kāi)發(fā)者希望這一塊內(nèi)存可以更靈活地被管理，不要再經(jīng)常出現(xiàn)這樣的 OOM
• 移除 PermGen 可以促進(jìn) HotSpot JVM 與 JRockit VM 的融合，因?yàn)?JRockit 沒(méi)有永久代。

我們也可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)控制 Metaspace 的空間大小，主要有以下幾個(gè)命令：

• -XX:MetaspaceSize ：分配給類元數(shù)據(jù)空間（以字節(jié)計(jì)）的初始大小。MetaspaceSize的值設(shè)置的過(guò)大會(huì)延長(zhǎng)垃圾回收時(shí)間。垃圾回收過(guò)后，引起下一次垃圾回收的類元數(shù)據(jù)空間的大小可能會(huì)變大。
• -XX:MaxMetaspaceSize： 分配給類元數(shù)據(jù)空間的最大值，超過(guò)此值就會(huì)觸發(fā)Full GC，此值默認(rèn)沒(méi)有限制，但應(yīng)取決于系統(tǒng)內(nèi)存的大小。JVM會(huì)動(dòng)態(tài)地改變此值。
• -XX:MinMetaspaceFreeRatio：表示一次GC以后，為了避免增加元數(shù)據(jù)空間的大小，空閑的類元數(shù)據(jù)的容量的最小比例，不夠就會(huì)導(dǎo)致垃圾回收。
• -XX:MaxMetaspaceFreeRatio：表示一次GC以后，為了避免增加元數(shù)據(jù)空間的大小，空閑的類元數(shù)據(jù)的容量的最大比例，不夠就會(huì)導(dǎo)致垃圾回收。

Java 虛擬機(jī)棧（JVM Stacks）

每一條 Java 虛擬機(jī)線程都有自己私有的 Java 虛擬機(jī)棧，這個(gè) Java 虛擬機(jī)棧跟線程同時(shí)創(chuàng)建，所以它跟線程有相同的生命周期。Java 虛擬機(jī)棧描述的是 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每一個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息，每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在 Java 虛擬機(jī)棧中的入棧到出棧的過(guò)程。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對(duì)象引用（reference 類型，它不等同于對(duì)象本身，根據(jù)不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，它可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?，也可能指向一個(gè)代表對(duì)象的句柄或者其他與此對(duì)象相關(guān)的位置）和 returnAddress 類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。

其中 64 位長(zhǎng)度的 long 和 double 類型的數(shù)據(jù)會(huì)占用 2 個(gè)局部變量空間（Slot），其余的數(shù)據(jù)類型只占用 1 個(gè)。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。

Java 虛擬機(jī)棧既允許被實(shí)現(xiàn)成固定的大小，也允許根據(jù)計(jì)算動(dòng)態(tài)來(lái)擴(kuò)展和收縮，如果采用固定大小的話，每一個(gè)線程的 Java 虛擬機(jī)棧容量可以在線程創(chuàng)建的時(shí)候獨(dú)立選定。在 Java 虛擬機(jī)棧中會(huì)發(fā)生兩種異常，這個(gè)在虛擬機(jī)規(guī)范中有指出：

• 如果線程請(qǐng)求分配的棧容量超過(guò) Java 虛擬機(jī)棧允許的最大容量，Java 虛擬機(jī)將會(huì)拋出 StackOverflowError 異常；
• 如果 Java 虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展，并且在嘗試擴(kuò)展的時(shí)候無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存或者在創(chuàng)建新的線程時(shí)沒(méi)有足夠的內(nèi)存去創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的 Java 虛擬機(jī)棧，那么虛擬機(jī)將會(huì)拋出 OutOfMemoryError 異常。

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）

程序計(jì)數(shù)器也是線程私有的，它只需要一塊較小的內(nèi)存空間，你可以把它看作當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器，在虛擬機(jī)的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機(jī)可能會(huì)通過(guò)一些更高效的方式去實(shí)現(xiàn)），字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成。

我們知道在多線程的情況下，并不是一條線程一直執(zhí)行完，而是多個(gè)線程輪流切換執(zhí)行，所以為了線程切換后能夠恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，我們就需要程序計(jì)數(shù)器來(lái)告訴線程接下來(lái)該執(zhí)行哪條指令。如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址，如果正在執(zhí)行的是 Natvie 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空（Undefined）。

需要特別注意的是，程序計(jì)數(shù)器是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定任何 OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。

本地方法棧（Native Method Stacks）

本地方法棧（Native Method Stacks）與 Java 虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過(guò)是 Java 虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行 Java 方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用到的 Native 方法服務(wù)。虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中的方法使用的語(yǔ)言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)（譬如Sun HotSpot虛擬機(jī)）直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。

與 Java 虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會(huì)拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。

參考

• 《 深入理解Java虛擬機(jī)JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐 》
• 《 Java虛擬機(jī)規(guī)范 Java SE 8版 》

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持億速云。