了解JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)的目的

在Java的開發(fā)過程中，因?yàn)橛蠮VM自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制，不再需要像在C、C++開發(fā)那樣手動(dòng)釋放對(duì)象的內(nèi)存空間，不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出的問題。但是，正是由于把內(nèi)存管理的權(quán)利交給了JVM，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出方面的問題，如果不了解JVM是如何使用內(nèi)存的，不了解JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是什么樣子的，就很難找到問題的根源，就更難以解決問題。

JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

在JVM所管理的內(nèi)存中，大致分為以下幾個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域：

• 程序計(jì)數(shù)器：當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。
• 虛擬機(jī)棧：Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，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。
• 本地方法棧：本地方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，和虛擬機(jī)棧非常相似，其區(qū)別是本地方法棧為JVM使用到的Native方法服務(wù)。
• 堆：用于存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例，是垃圾收集器管理的主要區(qū)域。
• 方法區(qū)：用于存儲(chǔ)已被JVM加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

其中，黃色區(qū)域的程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧和本地方法棧是線程私有的，紅色區(qū)域的堆和方法區(qū)是線程共享的。下面我們逐一詳細(xì)分析各個(gè)區(qū)域。

程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它記錄了當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)。在JVM的概念模型里，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變它的值來選取下一條需要執(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)功能都是依賴它來完成的。

通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了JVM的多線程操作。在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器（對(duì)于多核處理器來說是一個(gè)內(nèi)核）只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間的計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)?ldquo;線程私有”的內(nèi)存。

如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，那么它記錄的是正在執(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，它的值就為空（Undefined）。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

虛擬機(jī)棧

與程序計(jì)數(shù)器一樣，Java虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，如上圖每一個(gè)線程都有自己的虛擬機(jī)棧，它的生命周期與線程相同，當(dāng)線程被創(chuàng)建時(shí)，虛擬機(jī)棧也同時(shí)被創(chuàng)建；當(dāng)線程被銷毀時(shí)，虛擬機(jī)棧也同時(shí)被銷毀。

在線程內(nèi)部，每個(gè)方法被執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame），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，如上圖。每一個(gè)方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程。

其中棧幀中的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）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。

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：

如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常，讓我們寫一段代碼，使其拋出該異常：

/**
 * VM Args: -Xss128k
 */
public class JVMStackSOF {
	private int stackLength = 1;

	public void stackLeak() {
		stackLength++;
		stackLeak();
	}

	public static void main(String[] args) {
		JVMStackSOF sof = new JVMStackSOF();
		try {
			sof.stackLeak();
		} catch (Throwable e) {
			System.out.println("Stack length:" + sof.stackLength);
			throw e;
		}
	}
}

在運(yùn)行之前，設(shè)置JVM的參數(shù)為-Xss128k，運(yùn)行結(jié)果如下：

Stack length:1002
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:10)
    at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:11)
    at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:11)
......

棧的深度達(dá)到1002時(shí)，拋出了StackOverflowError異常。

如果虛擬機(jī)棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常，還是讓我們寫一段代碼，使其拋出該異常：

/**
 * VM Args: -Xss2M
 */
public class JVMStackOOM {
	private void dontStop() {
		while (true) {

		}
	}

	public void stackLeakByThread() {
		while (true) {
			Thread t = new Thread(new Runnable() {
				public void run() {
					dontStop();
				}
			});
			t.start();
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		JVMStackOOM oom = new JVMStackOOM();
		oom.stackLeakByThread();
	}
}

這段代碼會(huì)創(chuàng)建出無限多的線程，因?yàn)镴ava的線程會(huì)映射系統(tǒng)的內(nèi)核線程上，所以會(huì)造成CPU占用率100%，系統(tǒng)假死等現(xiàn)象，請(qǐng)謹(jǐn)慎運(yùn)行。在運(yùn)行之前，設(shè)置JVM的參數(shù)為-Xss2M，運(yùn)行很長(zhǎng)一段時(shí)間后結(jié)果如下：

Exception in thread "main" java.lang.OutMemoryError: unable to create new native thread
    at java.lang.Thread.start0(Native Method)
    at java.lang.Thread.start(Unknown Source)
    at OneMoreStudy.JVMStackOOM.stackLeakByThread(JVMStackOOM.java:18)
    at OneMoreStudy.JVMStackOOM.main(JVMStackOOM.java:24)

本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過是虛擬機(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)并沒有強(qiáng)制規(guī)定，所以具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)（比如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。

堆

Java堆（Java Heap）是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。它是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。它就是用來存放對(duì)象實(shí)例的，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。

堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代；再細(xì)致一點(diǎn)的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。從內(nèi)存分配的角度看，線程共享的堆中又可能劃分出多個(gè)線程私有的分配緩存區(qū)（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的，不過當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)的（通過-Xmx和-Xms控制）。

如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常，再讓我們寫一段代碼，使其拋出該異常：

/*
 * VM Args: -Xms20M -Xmx20M
 */
public class HeapOOM {
	static class OOMObject{
		
	}
	
	public static void main(String[] args){
		List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
		
		while(true){
			//把對(duì)象實(shí)例放入列表中，
			//使其一直被引用，不會(huì)被垃圾回收
			list.add(new OOMObject());
		}
	}
}

在運(yùn)行之前，設(shè)置JVM的參數(shù)為-Xms20M -Xmx20M，運(yùn)行結(jié)果如下：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.grow(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)
    at OneMoreStudy.HeapOOM.main(HeapOOM.java:18)
 

方法區(qū)

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，它用于存儲(chǔ)已被JVM加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

對(duì)于習(xí)慣在HotSpot虛擬機(jī)上開發(fā)和部署程序的開發(fā)者來說，很多人愿意把方法區(qū)稱為“永久代”（Permanent Generation），本質(zhì)上兩者并不等價(jià)，僅僅是因?yàn)镠otSpot虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇把GC分代收集擴(kuò)展至方法區(qū)，或者說使用永久代來實(shí)現(xiàn)方法區(qū)而已。在JDK7的HotSpot中，已經(jīng)把原本在永久代的字符串常量池移出，在JDK8的HotSpot中，已經(jīng)沒有永久代的存在了，而是采用了新的內(nèi)存空間：元空間（Metaspace）。

JVM規(guī)范對(duì)這個(gè)區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存和可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展外，還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。相對(duì)而言，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并不是數(shù)據(jù)進(jìn)入了方法區(qū)就被一直存放。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載，一般來說這個(gè)區(qū)域的回收“成績(jī)”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當(dāng)苛刻，但是這部分區(qū)域的回收確實(shí)是有必要的。

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常。再讓我們寫一段代碼，嘗試使其拋出該異常：

/*
 * VM Args: -XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
	public static void main(String[] args) {
		List<String> list = new ArrayList<String>();
		for (int i = 0; i < 100000; i++) {
			System.out.println(i);
			//將i轉(zhuǎn)化為字符串，
			//并且調(diào)用intern()，把字符串放在運(yùn)行時(shí)常量池
			list.add(String.valueOf(i).intern());
		}
	}
}

在運(yùn)行之前，設(shè)置JVM的參數(shù)為-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M。

在JDK6中運(yùn)行拋出了老年代的OutOfMemoryError異常，結(jié)果如下：

......
35813
35814
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
        at java.lang.String.intern(Native Method)
        at OneMoreStudy.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:12)
 

在JDK7中運(yùn)行，循環(huán)全部完畢后，也沒有拋出任何異常，結(jié)果如下：

......
99996
99997
99998
99999

同一段代碼，在不同版本JDK中的運(yùn)行結(jié)果為什么是不同的呢？這是因?yàn)椋涸贘DK6中，字符串常量池還在永久代中，而在JDK7中，已經(jīng)把原本在永久代的字符串常量池移出了。

再再讓我們寫一段代碼，嘗試使其拋出該異常：

/*
 * VM Args: -XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M
 */
public class MethodAreaOOM {
	static class OOMObject {

	}
	
	public static void main(String[] args) {
		for (int i = 0; i < 300; i++) {
			System.out.println(i);
			createNewClass();
		}
	}

	private static void createNewClass() {
		//這里使用了CGLIB，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類，載入方法區(qū)
		Enhancer enhancer = new Enhancer();
		enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
		enhancer.setUseCache(false);
		enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {

			@Override
			public Object intercept(Object obj, Method method,
					Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
				return proxy.invokeSuper(obj, args);
			}
		});
		enhancer.create();
	}
}

在運(yùn)行之前，設(shè)置JVM的參數(shù)為-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M。

在JDK6中運(yùn)行拋出了老年代的OutOfMemoryError異常，，結(jié)果如下：

......
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
        at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
        at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(Unknown Source)
        at java.lang.ClassLoader.defineClass(Unknown Source)
        ... 12 more

在JDK7中運(yùn)行也拋出了OutOfMemoryError異常，結(jié)果如下：

Exception in thread "main"
Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"

在JDK8中運(yùn)行，循環(huán)全部完畢后，也沒有拋出任何異常，結(jié)果如下：

......
298
299
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=2M; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=2M; support was removed in 8.0

同一段代碼，在不同版本JDK中的運(yùn)行結(jié)果為什么是不同的呢？這是因?yàn)椋涸贘DK6和JDK7中，永久代仍然存在，而在JDK8中，已經(jīng)沒有永久代的存在了，而是采用了新的內(nèi)存空間：元空間，并且JVM參數(shù)PermSize和MaxPermSize也被移出了。

總結(jié)

在JVM所管理的內(nèi)存中，大致分為：程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、堆和方法區(qū)。程序計(jì)數(shù)器是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。虛擬機(jī)棧是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，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。本地方法棧是本地方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，和虛擬機(jī)棧非常相似，其區(qū)別是本地方法棧為JVM使用到的Native方法服務(wù)。堆是用于存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例的，是垃圾收集器管理的主要區(qū)域。方法區(qū)用于存儲(chǔ)已被JVM加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

到此這篇關(guān)于Java虛擬機(jī)內(nèi)存結(jié)構(gòu)及編碼實(shí)戰(zhàn)分享的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java虛擬機(jī)內(nèi)存內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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