Java虚拟机内存区域划分详解

在谈 JVM 内存区域划分之前,我们先来看一下 Java 程序的具体执行过程,我画了一幅图。

Java 源代码文件经过编译器编译后生成字节码文件,然后交给 JVM 的类加载器,加载完毕后,交给执行引擎执行。在整个执行的过程中,JVM 会用一块空间来存储程序执行期间需要用到的数据,这块空间一般被称为运行时数据区,也就是常说的 JVM 内存。

所以,当我们在谈 JVM 内存区域划分的时候,其实谈的就是这块空间——运行时数据区。

大家应该对官方出品的《Java 虚拟机规范》有所了解吧?了解这个规范可以让我们更深入地理解 JVM。该规范主要包含 6 个部分,分别是:

  • 第一章:引言
  • 第二章:Java 虚拟机结构
  • 第三章:Java 虚拟机编译
  • 第四章:Class 文件
  • 第五章:加载、链接和初始化
  • 第六章:Java 虚拟机指令集
  • 第七章:操作码

根据第二章 Java 虚拟机结构中的规定,运行时数据区可以分为以下几个部分,见下图。

01、程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)所占的内存空间不大,很小一块,可以看作是当前线程所执行的字节码指令的行号指示器。字节码解释器会在工作的时候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,像分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。

在 JVM 中,多线程是通过线程轮流切换来获得 CPU 执行时间的,因此,在任一具体时刻,一个 CPU 的内核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,每个线程都需要有一个独立的程序计数器,并且不能互相干扰,否则就会影响到程序的正常执行次序。

也就是说,我们要求程序计数器是线程私有的。

《Java 虚拟机规范》中规定,如果线程执行的是非本地(native)方法,则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令地址;如果线程执行的是本地方法,则程序计数器中的值是 undefined。

为什么本地方法在程序计数器中的值是 undefined 的?因为本地方法大多是通过 C/C++ 实现的,并未编译成需要执行的字节码指令。

由于程序计数器中存储的数据所占的空间不会随程序的执行而发生大小上的改变,因此,程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

02、Java 虚拟机栈

Java 虚拟机栈中是一个个栈帧,每个栈帧对应一个被调用的方法。当线程执行一个方法时,会创建一个对应的栈帧,并将栈帧压入栈中。当方法执行完毕后,将栈帧从栈中移除。遵循的是后进先出的原则,所以线程当前执行的方法对应的栈帧必定在 Java 虚拟机栈的顶部。

栈帧包含以下 5 个部分,见下图。

1.局部变量表

顾名思义,就是用来存储方法中的局部变量的,包括方法的参数。对于基本数据类型的变量,直接存储变量的值;对于引用类型的变量,存储的是对象的引用。局部变量表的大小在编译期间就确定了,程序执行期间,它的大小是不会改变的。

2.操作数栈

表达式的计算是在操作数栈中完成的。当一个方法刚开始执行的时候,这个方法的操作数栈是空的,在方法的执行过程中,会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容,也就是入栈/出栈操作。例如,在做算术运算的时候是通过操作数栈来进行的,又或者在调用其他方法的时候是通过操作数栈来进行参数传递的。

3.指向运行时常量池的引用

当前方法所属的类的运行时常量池的引用,引用其他的常量类或者使用字符串常量池中的字符串。

4.方法返回地址

方法执行完(不论是正常执行还是发生了异常)后需要返回到方法被调用的位置,程序才能继续执行,方法返回地址保存一些用来帮助恢复上层方法的执行状态的信息。

5.动态链接

每个栈帧都包含了一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用,持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态链接。

与程序计数器一样,Java 虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期和线程相同,描述的是 Java 方法执行的内存模型,每次方法调用的数据都是通过栈传递的。

Java 虚拟机栈会出现两种错误:

  • StackOverFlowError:当线程请求栈的深度超过 Java 虚拟机栈的最大深度的时候抛出。
  • OutOfMemoryError:如果 Java 虚拟机栈允许动态扩容,当栈扩容时无法申请到足够的内存时抛出。

最有名的 HotSpot 虚拟机的栈容量是不允许动态扩容的,所以在 HotSpot 虚拟机上是不会出现 OutOfMemoryError 的。

03、本地方法栈

本地方法栈与 Java 虚拟机栈类似,区别是本地方法栈执行的是本地方法,也就是带有 native 关键字修饰的方法。

在 HotSpot 虚拟机中,本地方法栈和 Java 虚拟机栈不做区分。

04、堆

堆是所有线程共享的一块内存区域,在 Java 虚拟机启动的时候创建,用来存储对象(数组也是一种对象)。

以前,Java 中“几乎”所有的对象都会在堆中分配,但随着 JIT(Just-In-Time)编译器的发展和逃逸技术的逐渐成熟,所有的对象都分配到堆上渐渐变得不那么“绝对”了。从 JDK 7 开始,Java 虚拟机已经默认开启逃逸分析了,意味着如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用(也就是未逃逸出去),那么对象可以直接在栈上分配内存。

简单解释一下 JIT 和逃逸分析。

常见的编译型语言如 C++,通常会把代码直接编译成 CPU 所能理解的机器码来运行。而 Java 为了实现“一次编译,处处运行”的特性,把编译的过程分成两部分,首先它会先由 javac 编译成通用的中间形式——字节码,然后再由解释器逐条将字节码解释为机器码来执行。所以在性能上,Java 可能会干不过 C++ 这类编译型语言。

为了优化 Java 的性能 ,JVM 在解释器之外引入了 JIT 编译器:当程序运行时,解释器首先发挥作用,代码可以直接执行。随着时间推移,即时编译器逐渐发挥作用,把越来越多的代码编译优化成本地代码,来获取更高的执行效率。解释器这时可以作为编译运行的降级手段,在一些不可靠的编译优化出现问题时,再切换回解释执行,保证程序可以正常运行。

逃逸分析(Escape Analysis),简单来讲就是,Hotspot 虚拟机可以分析新创建对象的使用范围,并决定是否在 Java 堆上分配内存的一项技术。

堆是 Java 垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称作 GC 堆(Garbage Collected Heap)。从垃圾回收的角度来看,由于垃圾收集器基本都采用了分代垃圾收集的算法,所以堆还可以细分为:新生代和老年代。新生代还可以细分为:Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存,或者更快地分配内存。

堆这最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误,分为以下几种表现形式:

  • OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded:当 JVM 花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时,就会发生该错误。
  • java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space:假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发该错误。和本机的物理内存无关,和我们配置的虚拟机内存大小有关!

05、元空间

JDK 8 的时候,原有的方法区(更准确的说应该是永久代)被彻底移除,取而代之的是元空间。

我们来说说方法区吧。方法区和堆一样,是线程共享的区域,它用来存储已经被 Java 虚拟机加载的类信息、常量、静态变量,以及便器编译后的代码等。

在有些地方,方法区也被称为永久代。但其实不能这么理解。

《Java 虚拟机规范》中只规定了有方法区这么一个概念和它的作用,并没有规定如何去实现它。那么不同的 Java 虚拟机可能就会有不同的实现。永久代是 HotSpot 对方法区的一种实现形式。也就是说,永久代只是 HotSpot 中的一个概念,而方法区则是 Java 虚拟机规范中的一个定义,一种规范。

换句话说,方法区和永久代的关系就像是 Java 中接口和类的关系,类实现了接口。

在方法区中,还有一块非常重要的部分,也就是运行时常量池。在讲 class 文件的时候,提到了每个 class 文件都会有个常量池,用来存放字符串常量、类和接口的名字、字段名、常量等等。运行时常量池和 class 文件的常量池是一一对应的,它就是通过 class 文件中的常量池来构建的。

JDK 7 之前,运行时常量池中包含着字符串常量池,都在方法区。

JDK 7 的时候,字符串常量池从方法区中拿出来放到了堆中,运行时常量池中的其他东西还在方法区中。

JDK 8 的时候,HotSpot 移除了永久代,也就是说方法区不存在了,取而代之的是元空间。也就意味着字符串常量池在堆中,运行时常量池跑到了元空间。

再来说说为什么要将永久代 (PermGen) 或者说方法区替换为元空间 (MetaSpace) 。

  1. 永久代放在 Java 虚拟机中,就会受到 Java 虚拟机内存大小的限制,而元空间使用的是本地内存,也就脱离了 Java 虚拟机内存的限制。
  2. JDK 8 的时候,在 HotSpot 中融合了 JRockit 虚拟机,而 JRockit 中并没有永久代的概念,因此新的 HotSpot 就没有必要再开辟一块空间来作为永久代了。

对于我们 Java 程序员来说,不需要像 C/C++ 程序员那样时时刻刻关心着内存泄露和内存溢出的问题,但实际的工作中,这两个问题出现的频率还是蛮高的,尤其是在多线程并发的情况下。如果不了解 Java 虚拟机是如何管理内存的,那么一旦遇到问题可能就会束手无策。

了解 Java 虚拟机的内存区域划分有助于我们更好的去理解 Java 虚拟机,从而掌握内存问题排查的主动权。

到此这篇关于Java虚拟机内存区域划分文章就介绍到这了,更多相关Java虚拟机内存划分内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持我们!

(0)

相关推荐

  • 排查Java应用内存泄漏问题的步骤

    什么是内存泄漏 内存泄漏是指java应用的堆内存使用率持续升高,直至内存溢出. 内存泄漏的的原因可能有多种 分配给应用程序的内存本身过小.而应用的业务代码,确实需要生成大量的对象 代码bug,某些需要被回收的对象,由于代码bug,却持续的被引用,导致java虚拟机无法回收这些对象.从而撑爆内存 无论哪种内存泄露,我们的解决方法都是要定位到具体是什么对象,占用了大量内存,从而方便我们基于此进行代码分析,debug,找出代码问题. 而能够帮助我们实现这一目的的方式就是获取java应用的内存 dump

  • java应用占用内存过高排查的解决方案

    故障:收到服务器报警,内存使用率超过80% 1.查看 使用dstat和top查看内存使用最高的应用 使用dstat 查到内存占用最高的是java应用,使用2253M内存,但是这台服务器跑了好几个java,具体哪个进程使用top看下资源情况 使用top 可以看到java应用整体内存使用率超过了70%,其中pid为16494的进程 一个应用占了28.7的内存 2.定位线程问题 使用ps查看16494的线程情况 命令:ps p 16494 -L -o pcpu,pmem,pid,tid,time,tn

  • windows java.exe内存暴涨解决、idea跑java\ tomcat内存无限增长

    最近突然遇到个问题:用 idea 跑 Tomcat 服务,不到30分钟 内存就吃完了.用任务管理器查看,发现 java.exe占了10G内存!! 查了各种方法 一. idea Tomcat 配置 没用!!! 二.idea idea64.exe.vmoptions 安装目录下的 bin 下的 idea64.exe.vmoptions 配置,还是 C:\Users\Administrator\.IntelliJIdea2019.1\config 下的 idea64.exe.vmoptions 配置

  • java使用内存数据库ssdb的步骤

    看这篇文章的同学,redis相信你一定很熟悉了,ssdb是一个功能类似于redis,性能稍弱于redis的高性能数据库,主要是可以使用磁盘代替内存,使得小内存可以胜任请求不高的大部分场景,从而节约资源.ssdb官方是这样评价的 : 一个高性能的支持丰富数据结构的 NoSQL 数据库, 用于替代 Redis. 1. 特性 替代 Redis 数据库, Redis 的 100 倍容量 LevelDB 网络支持, 使用 C/C++ 开发 Redis API 兼容, 支持 Redis 客户端 适合存储集合

  • 深入理解JVM之Java对象的创建、内存布局、访问定位详解

    本文实例讲述了深入理解JVM之Java对象的创建.内存布局.访问定位.分享给大家供大家参考,具体如下: 对象的创建 一个简单的创建对象语句Clazz instance = new Clazz();包含的主要过程包括了类加载检查.对象分配内存.并发处理.内存空间初始化.对象设置.执行ini方法等. 主要流程如下: 1. 类加载检查 JVM遇到一条new指令时,首先检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载.解析和初始化过.如果没有,那必须先执

  • java 进程是如何在Linux服务器上进行内存分配的

    众所周知,Java进程在启动的时候我们可以通过 -Xms 和-Xmx来设置内存的上限和下限.直到我发现使用top命令监控的Java进程在-Xms设置4g的情况下占用的内存并不是4g,这就产生了一个疑问Linux服务器的内存到底是如何进行分配的. 于是乎,我查阅了一些知乎,课程以及Linux相关的书籍.这里分享并记录的一下相关的知识. 在Linux上运行的进程不仅限于Java.都有一个概念,逻辑内存(Logic Memory),而物理机真是持有的内存,我们称为 物理内存(Physic Memory

  • 详解Java中一维、二维数组在内存中的结构

    前言 我们知道在Java中数组属于引用数据类型,它整个数组的数组元素既可以是基本数据类型的(如 byte \ int \ short \ long \ float \ double \ char \ boolean 这些),也可以是引用数据类型的.当它的数组元素是基本数据类型时,这个数组就是一个一维数组:当它的数组元素是引用数据类型时,它就是一个多维数组.比如,在一个数组中它的某个元素值其实是一个一维数组,而其他不同的元素也各自包含了一个一维数组,我们就把这个包含很多个一维数组的数组叫做二维数组

  • Java内存释放实现代码案例

    先贴代码: StringBuilder dada = null; for(int i=0; i<1000; i++){ dada = new StringBuilder(); for(int j=0; j<1000; j++){ dada.append("FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF"); } } System.out.println("释放前"); StringBuilder dad

  • 快速定位Java 内存OOM的问题

    Java服务出现了OOM(Out Of Memory)问题,总结了一些相对通用的方案,希望能帮助到Java技术栈的同学. 某Java服务(假设PID=10765)出现了OOM,最常见的原因为: 有可能是内存分配确实过小,而正常业务使用了大量内存 某一个对象被频繁申请,却没有释放,内存不断泄漏,导致内存耗尽 某一个资源被频繁申请,系统资源耗尽,例如:不断创建线程,不断发起网络连接 画外音:无非"本身资源不够""申请资源太多""资源耗尽"几个原因.

  • Java运行Jar包内存配置的操作

    如下: java -jar -Xms1024m -Xmx1536m -XX:PermSize=128M -XX:MaxPermSize=256M car.jar 说明: 1.堆内存: 最小1024M,最大1536M.(对象使用的内存) 2.永久内存: 最小128M,最大256M.(类使用的内存,PermGen) 补充:JAVA -JAR 运行SPRINGBOOT项目时内存设置 java -Xms64m #JVM启动时的初始堆大小 -Xmx128m #最大堆大小 -Xmn64m #年轻代的大小,其

  • Java中的内存泄漏

    Java.Lang.OutOfMemoryError: Java Heap Space Java应用程序只允许使用有限的内存.此限制在应用程序启动期间指定.为了使事情更复杂,Java内存被分成两个不同的区域.这些区域称为永久生成区域(permgene和Permgen): 这些区域的大小是在Java虚拟机(JVM)启动期间设置的,可以通过指定JVM参数-Xmx和-XX:MaxPermSize进行定制.如果未显式设置大小,则将使用特定于平台的默认值. 这个java.lang.OutOfMemoryE

  • JAVA内存模型和Happens-Before规则知识点讲解

    我们在本篇内容里聊一聊JAVA的内存模型和Happens-Before规则. JAVA内存模型 这里的JAVA内存模型指的不是我们JVM专栏中提到的内存分布模型,而是针对并发编程的,小伙伴们不要混淆概念了. 我们已经知道,导致可见性问题的是缓存,导致有序性问题的是指令重排,那么禁用缓存和禁用指令重排不就可以避免出现这两种问题了吗. 但想想也知道,如果直接禁用掉,性能会大打折扣,所以正确的方式应该是按需禁用. 只有程序员才能分析出什么时候应该禁用,所以为了解决可见性和有序性,其实只要提供给程序员按

  • Java程序执行过程及内存机制详解

    本讲将介绍Java代码是如何一步步运行起来的,其中涉及的编译器,类加载器,字节码校验器,解释器和JIT编译器在整个过程中是发挥着怎样的作用.此外还会介绍Java程序所占用的内存是被如何管理的:堆.栈和方法区都各自负责存储哪些内容.最后用一小块代码示例来帮助理解Java程序运行时内存的变化. Java程序执行过程 步骤 1: 写源代码,源代码将以.java的文件格式保存在电脑硬盘中. 步骤 2: 编译器(compiler)检查是否存在编译期错误(例如缺少分号,关键字拼写错误等).若通过检测,编译器

  • Java 内存溢出的原因和解决方法

    你是否遇到过Java应用程序卡顿或突然崩溃的情况?您可能遇到过Java内存泄漏.在本文中,我们将深入研究Java内存泄漏的确切原因,并推荐一些最好的工具来防止内存泄漏发生. 什么是JAVA内存泄漏? 简单地说,Java内存泄漏是指对象不再被应用程序使用,而是在工作内存中处于活动状态. 在Java和大多数其他编程语言中,垃圾收集器的任务是删除不再被应用程序引用的对象.如果不选中,这些对象将继续消耗系统内存,并最终导致崩溃.有时java内存泄漏崩溃不会输出错误,但通常错误会以java.lang.Ou

  • 详解Java对象的内存布局

    前言 今天来讲些抽象的东西 -- 对象头,因为我在学习的过程中发现很多地方都关联到了对象头的知识点,例如JDK中的 synchronized锁优化 和 JVM 中对象年龄升级等等.要深入理解这些知识的原理,了解对象头的概念很有必要,而且可以为后面分享 synchronized 原理和 JVM 知识的时候做准备. 对象内存构成 Java 中通过 new 关键字创建一个类的实例对象,对象存于内存的堆中并给其分配一个内存地址,那么是否想过如下这些问题: 这个实例对象是以怎样的形态存在内存中的? 一个O

  • 浅析JAVA中的内存结构、重载、this与继承

    一.对象在JVM的内存结构 JAVA内存管理由JVM来管理. 1)堆,所有new出来的对象(包括成员变量) 2)栈,所有局部变量(包括方法的参数) 3)方法区,class字节码文件(包括方法,静态数据) 1.引用变量指向null时,会发生空指针异常 public class student { int age; String name; public student(int age,String name){ this.age=age; this.name=name; } public stat

随机推荐