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JVM内存模型——JAVA的根基

日期:2019-03-25点击:253

抽象

解析

程序计数器

  • 程序计数器(Program Counter Register)是JVM中一块较小的内存区域,保存着当前线程执行的虚拟机字节码指令的内存地址(可以看作当前线程所执行的字节码的行号指示器)。
  • 如果线程执行的是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(可以理解为上图所示的行号),如果正在执行的是native方法,这个计数器的值为undefined。
  • JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配CPU执行时间片的方式来实现的,任何一个时刻,一个CPU都只会执行一条线程中的指令。为了保证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,各线程间的程序计数器独立存储,互不影响。
  • 此区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域,因为程序计数器是由虚拟机内部维护的,不需要开发者进行操作。

虚拟机栈

    虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)是线程隔离的,每创建一个线程时就会对应创建一个Java栈,即每个线程都有自己独立的虚拟机栈。这个栈中又会对应包含多个栈帧,每调用一个方法时就会往栈中创建并压入一个栈帧,栈帧存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息,每一个方法从调用到最终返回结果的过程,就对应一个栈帧从入栈到出栈的过程。

    虚拟机栈是一个后入先出的数据结构,线程运行过程中,只有处于栈顶的栈帧才是有效的,称为当前栈帧,与这个栈帧相关联的方法称为当前方法,当前活动帧栈始终是虚拟机栈的栈顶元素。

  • 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型和对象引用类型。通常我们所说的“栈内存”指的就是局部变量表这一部分。
  • 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在帧分配多少内存是固定的,运行期间不会改变局部变量表的大小。
  • 64位的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间,其余的数据类型只占用1个。

栈的大小可以固定也可以动态扩展。

  • 在固定大小的情况下,JVM会为每个线程的虚拟机栈分配一定的内存大小(-Xss参数),因此虚拟机栈能够容纳的栈帧数量是有限的,若栈帧不断进栈而不出栈,最终会导致当前线程虚拟机栈的内存空间耗尽,会抛出StackOverflowError异常。
  • 在动态扩展的情况下,当整个虚拟机栈内存耗尽,并且无法再申请到新的内存时,就会抛出OutOfMemoryError异常。

栈溢出代码:

public class StackOverFlow { public static void main(String[] args){ new StackOverFlow().test(); } private void test() { System.out.println("run..."); test(); } }

(在单个线程下,无论是由于栈帧太大,还是虚拟机栈容量太小,当内存无法分配的时候,虚拟机抛出的都是 StackOverflowError 异常,而不是OOM。)

run...Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeLoop(UTF_8.java:691) at java.nio.charset.CharsetEncoder.encode(CharsetEncoder.java:579)

堆溢出代码:(由于在Windows 平台的虚拟机中, Java 的线程是映射到操作系统的内核线程上的,所以多线程代码执行时有较大的风险,可能会导致操作系统崩溃。)

public class JavaVMStackOOM { private void dontStop() { while (true) { } } //通过不断的创建新的线程使Stack内存耗尽 public void stackLeakByThread() { while (true) { Thread thread = new Thread(() -> dontStop()); thread.start(); } } public static void main(String[] args) { JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM(); oom.stackLeakByThread(); } }
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

本地方法栈

  • 本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈,均具有线程隔离的特点以及都能抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
  • 不同的是,本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法,而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法。
  • HotSpot虚拟机不区分虚拟机栈和本地方法栈,两者是一块的。

方法区

  • 保存在着被加载过的每一个类的信息(虚拟机加载的类信息(类的版本、字段、方法、接口),常量,静态变量,即时编译器编译后的代码等数据);这些信息由类加载器在加载类的时候,从类的源文件中抽取出来;static变量信息也保存在方法区中。
  • 可以看做是将类(Class)的元数据,保存在方法区里。
  • 方法区逻辑上属于堆的一部分,但是为了与堆进行区分,通常又叫“非堆”。
  • HotSpot虚拟机使用永久代来实现方法区,使得HotSpot虚拟机的垃圾收集器可以像管理堆内存一样来管理这部分内存,能省去专门为方法区编写内存管理代码工作。所以开发者喜欢将方法区称为永久代,本质上两者并不等价,对于其他虚拟机来说不存在永久代的概念。
  • 方法区是线程共享的;当有多个线程都用到一个类的时候,而这个类还未被加载,则应该只有一个线程去加载类,让其他线程等待。
  • 方法区的大小不必是固定的,jvm可以根据应用的需要动态调整。jvm也可以允许用户和程序指定方法区的初始大小,最小和最大限制。
  • 方法区同样存在垃圾收集,因为通过用户定义的类加载器可以动态扩展Java程序,这样可能会导致一些类,不再被使用,变为垃圾。这时候需要进行垃圾清理。

 

  • JVM管理的最大的一块内存区域,存放着对象的实例,是线程共享区。
  • 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称为“GC堆”。
  • JAVA堆的分类: 

        从内存回收的角度上看,可分为新生代(Eden空间,From Survivor空间、To Survivor空间)及老年代(Tenured Gen)。

        从内存分配的角度上看,为了解决分配内存时的线程安全性问题,线程共享的JAVA堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB)。

  • JAVA堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可。
  • 可通过参数 -Xmx -Xms 来指定运行时堆内存的大小,堆内存空间不足也会抛OutOfMemoryError异常。
原文链接:https://my.oschina.net/zbnb/blog/3027278
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