参考文章:
- 《Java Se11 虚拟机规范》
- 《深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践 第3版》- 周志明
本文基于Java Se 11讲解。
根据《Java虚拟机规范》的规定,Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域:
对于不同的虚拟机实现,在运行时数据区的实现上并不完全相同。对于常用的HotSpot虚拟机来说,它的运行时数据区如下:
主要区别在于,HotSpot使用了直接使用本地内存(即机器本身内存)的元空间(metaspace)来实现方法区。
下面针对每个具体的数据区域进行详细的介绍。
1. 程序计数器
程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
JVM可以同时支持多个执行线程。每个Java虚拟机线程都有自己的pc(程序计数器)寄存器。在任何时候,每个Java虚拟机线程都在执行单个方法的代码,即该线程的当前方法。如果该方法不是native方法,则pc寄存器包含当前正在执行的Java虚拟机指令的地址。如果线程当前正在执行的方法是native的,则pc寄存器的值为undefined
。Java虚拟机的pc寄存器足够宽,可以容纳特定平台上的returnAddress
或native指针。
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。
2. Java虚拟机栈
与程序计数器一样,是线程私有的,生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型。
「虚拟机栈」里面的每条数据就是「栈帧」,在 Java 方法执行的时候则创建一个「栈帧」并入栈「虚拟机栈」。调用结束则「栈帧」出栈。
每个栈帧包含四个区域:
- 局部变量表:存储了方法执行过程中需要用到的所有局部变量
- 操作数栈:暂存变量,通过变量的入栈、出栈等操作来执行计算
- 动态连接:翻译符号引用为直接引用,即把一个字面量翻译为运行时的一个地址引用
- 返回地址
每个线程拥有一个「虚拟机栈」,每个「虚拟机栈」拥有多个「栈帧」,而栈帧则对应着一个方法。每个「栈帧」包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址。方法运行结束则意味着该「栈帧」出栈。
在《Java虚拟机规范》中,对这个内存区域规定了两类异常状况:
- 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出
*Error
异常; - 如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展(HotSpot虚拟机的栈容量不能动态扩展),当栈尝试扩展时无法申请到足够的内存,或为一个新线程初始化JVM栈时没有足够的内存时会抛出
OutOfMemoryError
异常。
3. 本地方法栈
本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地(Native)方法服务。
《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定,因此具体的虚拟机可以根据需要*实现它,甚至有的Java虚拟机(譬如Hot-Spot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出*Error
和OutOfMemoryError
异常。
4. Java堆
所有线程共享,虚拟机启动时创建。唯一的目的是用于存放对象实例和数组,绝大部分对象实例在堆上分配内存。
在 Java 中,数组也是对象。
现代垃圾收集器大部分基于分代收集理论设计。“新生代”、“老年代”这些名词仅仅是一部分GC的设计风格,而不是《Java虚拟机规范》定义的。而从G1收集器出现之后,出现了不采用分代设计的新垃圾收集器。
JDK8之后Class对象、static
变量、字符串常量池都放在堆里。
static
变量作为类的信息,存储在Class对象里。
Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。普通对象会在堆上分配。对于基本数据类型,如果是局部变量,则会在栈上分配。其他情况,通常在在堆上分配,逃逸分析的情况下可能会在栈分配。
如果在Java堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError
异常。
4.1 字符串常量池
字符串常量池是由String
类维护的一个字符串池。是一种池化思想的实现,是为了节省重复创建字符串对象的性能开销和内存空间。
每当代码创建字符串常量时,JVM会首先检查字符串常量池。如果字符串已经存在池中,就返回池中的实例引用。如果字符串不在池中,就会实例化一个字符串并放到池中。Java能够进行这样的优化是因为字符串是不可变的,可以不用担心数据冲突进行共享。
字符串常量池从JDK7开始挪到了堆中。
可以通过调用String.intern()
方法把一个字符串对象放到字符串常量池中。如果池中已经存在相等的对象,则会返回已存在对象的引用;否则会把这个字符串对象加入到池中,并返回新加入的字符串对象的引用。
String s = new String("hello")
会创建几个对象?
如果字符串常量池中没有"hello",则生成2个,否则只生成一个。
String s = new String("abc"); System.out.println((s.intern() == s));
打印结果是什么?
打印结果为false。s
指向的是堆中的对象,s.intern()
返回的是字符串常量池中的对象的引用。
4.2 字面量和常量
字面量(literal) :用于表达源码中的一个固定值的符号(notation)。如整数、浮点数及字符串等。如1
、0x01
是整数字面量,Hello World
是字符串字面量。
常量:在java中,final
修饰的变量也可以被称为是常量。任何具有不变性的东西都可以称为常量。如String
对象是常量。
对象池:是Java语言层面实现的,如Integer.valueOf()
(Integer i = 10
也会调该方法)会使用IntegerCache
的缓存对象。如果使用new Integer(10)
则不会使用对象池中的实例。
字符串常量池:类似于对象池,但它是JVM层面的技术。字符串常量池的实现是c++实现的StringTable
,实际上是一个固定容量的Hashtable
,每一个bucket包含一系列相同hash码的字符串。
5. 方法区
用于存储被JVM加载的class的元数据信息,比如类的结构、运行时的常量池、字段、常量、方法数据、方法构造函数以及接口初始化等特殊方法。还有JIT编译器编译后的代码缓存等数据。
JDK8之前,HotSpot采用永久代的概念实现方法区,JDK8开始废弃了永久代的概念,改用在本地内存(Native Memory)中实现的元空间(Meta-space)来代替。
方法区的GC比较少出现,回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。
根据《Java虚拟机规范》的规定,如果方法区无法满足新的内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError
异常。
5.1 运行时常量池
运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池表(Constant Pool Table),用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
一般来说,除了保存Class文件中描述的符号引用外,还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。
既然运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError
异常。