运行时数据区
程序计数器(Program Counter)
每个线程独占自己的程序计数器。如果当前执行的方式不是native的,那程序计数器保存JVM正在执行的字节码指令的地址,如果是native的,那程序计数器的值是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。-
Java虚拟机栈
每个线程独占自己的Java虚拟机栈,这个栈与线程同时创建,用于存储栈帧。
Java虚拟机栈所使用的内存不需要保证连续的。
- *Error:线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量。
- OutOfMemoryError:如果虚拟机栈可以动态扩展,在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存,或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈。
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Java堆
Java堆可供各个线程共享,是给对象分配内存的区域,也是需要自动回收垃圾的区域。
堆的容量可以是固定的,也可以随着程序执行的需求动态扩展,并在不需要时自动收缩。Java堆所使用的内存不需要保证是连续的。
- OutOfMemoryError:实际所需的堆超过了自动内存管理系统能提供的最大容量。
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方法区
方法区可供各个线程共享。它存储每一个类的结构信息,例如:运行时常量池、字段和方法数据、构造函数和不同方法的字节码内容,还包括一些在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法。
方法区是Java堆的逻辑组成部分,虚拟机可以在这个区域不实现垃圾收集与压缩。JVM规范也不限定实现方法区的内存位置和编译代码的管理策略。
方法区容量可以是固定的,也可以随着程序执行的需求动态扩展,并在不需要时自动收缩。方法区所使用的内存不需要保证是连续的。
- OutOfMemoryError:方法区的内存空间不能满足内存分配请求。
关于永久代和元空间
JDK 8引入了元空间的概念,它和JDK 8之前的永久代都是方法区的实现,区别是,永久代使用Java虚拟机内存,而元空间使用本地内存,将类的元数据移至元空间,而字符串和类静态变量移至Java堆。
引入元空间的主要原因有两个
- 永久代内存容易发生内存泄露,即
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen
- 移除永久代可以促进HotSpot JVM与 JRockit VM的融合,因为JRockit没有永久代。
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运行时常量池
运行时常量池是class文件中每一个类或接口的常量池表的运行时表示形式。
运行时常量池在方法区中分配,在加载类和接口到虚拟机后,就创建对应的运行时常量池。
- OutOfMemoryError:方法区的内存空间不能满足内存分配请求。
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本地方法栈
JVM用本地方法栈来支持native方法。如果需要支持native方法,这个栈与线程同时创建。
- *Error:线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量。
- OutOfMemoryError:如果本地方法栈可以动态扩展,在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存,或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈。
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直接内存
不是Java虚拟机规范定义的内存,不属于运行时数据区,JDK NIO中基于通道与缓冲的I/O方式,可以直接分配堆外内存。直接内存受本机总内存的限制。
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OutOfMemoryError:动态扩展导致总内存超过物理内存时。
分配内存的两种方式
- 指针碰撞:内存是绝对规整的,用过的内存和空闲的内存分别放在堆的两边,中间放着一个指针作为分界点的指示器,分配内存就是指针往空闲区域移动与对象大小相等的距离。
- 空闲列表:内存是不规整的,虚拟机维护一个列表,记录哪些内存是可以使用的,分配内存就是从列表中找到一块足够大的内存划分给对象实例。
选择哪种分配方式由Java堆内存是否规整来决定,而Java堆是否规整又由所用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此,Serial、ParNew等带压缩过程的收集器采用指针碰撞,而CMS这种基于Mark-Swap算法的收集器采用空闲列表。
如何保障分配内存时的线程安全性?
- 使用CAS技术保证操作的原子性。
- 每个线程在堆中预先分配一小块内存称本地线程分配缓冲(TLAB)。哪个线程要分配内存,就在哪个线程的TLAB上分配。当TLAB用完,分配新的TLAB时加锁。
对象的内存布局和访问
Java虚拟机在堆中给对象分配内存,对象在内存中的布局分为三块
- 对象头:存储了Mark Word、类型指针,如果是数组对象,还记录了数据长度。
- 实例数据:对象的真实数据。
- 对齐填充:由于对象大小必须是8字节的整数倍,所以需要占位符来对其填充。
主流的对象访问方式
- 使用句柄访问:Java堆中划分一块内存作为句柄池,引用类型指向对象的句柄地址,句柄中包含对象实例数据与类型数据的地址。
- 使用直接指针访问:引用类型指向对象地址,堆中存储访问类型数据的信息。
Hotspot虚拟机使用直接指针的方式来访问对象。节省了一次指针定位的时间开销。
如下图,展示了对象在内存的布局和访问方式。
参考资料:《深入理解Java虚拟机(第二版)》《Java虚拟机规范(Java SE 8版)》