java虚拟机内存区域（详细）

时间：2022-12-27 11:08:04

java虚拟机

通过上篇我们了解到.java文件通过javac编译成.class文件，然后.class文件运行在java虚拟机,下面针对虚拟机对象回收以及内存分配进行分析。

java内存机制

  1. java垃圾回收机制
  2. java内存区域

java垃圾回收机制

Java GC（Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收）机制，是Java与C++/C的主要区别之一，作为Java开发者，一般不需要专门编写内存回收和垃圾清理代码，对内存泄露和溢出的问题，也不需要像C程序员那样战战兢兢。这是因为在Java虚拟机中，存在自动内存管理和垃圾清扫机制。概括地说，该机制对JVM（Java Virtual Machine）中的内存进行标记，并确定哪些内存需要回收，根据一定的回收策略，自动的回收内存，永不停息（Nerver Stop）的保证JVM中的内存空间，防止出现内存泄露和溢出问题。

Java GC机制主要完成3件事：确定哪些内存需要回收，确定什么时候需要执行GC，如何执行GC。经过这么长时间的发展（事实上，在Java语言出现之前，就有GC机制的存在，如Lisp语言），Java GC机制已经日益完善，几乎可以自动的为我们做绝大多数的事情。然而，如果我们从事较大型的应用软件开发，曾经出现过内存优化的需求，就必定要研究Java GC机制。

java内存区域

java内存区域可分为5大区域分别是：堆区，栈区，方法区，本地方法栈区，程序计数器区。
如图：
java虚拟机内存区域（详细）

线程共享的：

堆区：
Java堆是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。 Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC 堆（ ” Garbage Collected Heap）。如果从内存回收的角度看，Java堆又会划分为好几个区域(新时代，老年代，等等)如果从内存分配的角度看，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。但无论怎么去划分，无论那个区域，java堆中存储的依然是对象的实例。进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

JVM中的堆，一般分为三大部分：新生代、老年代、永久代：

java虚拟机内存区域（详细）

新生代：主要是用来存放新生的对象。一般占据堆的1/3空间。由于频繁创建对象，所以新生代会频繁触发MinorGC进行垃圾回收。新生代又分为 Eden区、ServivorFrom、ServivorTo三个区。

  1. Eden区 :Java新对象的出生地（如果新创建的对象占用内存很大，则直接分配到老年代）。当Eden区内存不够的时候就会触发MinorGC，对新生代区进行一次垃圾回收。
  2. ServivorTo：保留MinorGC过程中的幸存者。
  3. ServivorFrom：上一次GC的幸存者，作为这一次GC的被扫描者。
  4. MinorGC的过程：MinorGC采用复制算法。首先，把Eden和ServivorFrom区域中存活的对象复制到ServicorTo区域，同时把这些对象的年龄+1；然后，清空Eden和ServicorFrom中的对象；最后，ServicorTo和ServicorFrom互换，原ServicorTo成为下一次GC时的ServicorFrom区。

老年代：老年代的对象比较稳定，所以MajorGC不会频繁执行。

在进行MajorGC前一般都先进行了一次MinorGC，使得有新生代的对象晋身入老年代，导致空间不够用时才触发。当无法找到足够大的连续空间分配给新创建的较大对象时也会提前触发一次MajorGC进行垃圾回收腾出空间。

MajorGC采用标记—清除算法：

首先扫描一次所有老年代，标记出存活的对象
然后回收没有标记的对象。
MajorGC的耗时比较长，因为要扫描再回收。MajorGC会产生内存碎片，为了减少内存损耗，我们一般需要进行合并或者标记出来方便下次直接分配。

当老年代也满了装不下的时候，就会抛出OOM（Out of Memory）异常。

永久代：指内存的永久保存区域，主要存放Class和Meta（元数据）的信息。

Class在被加载的时候被放入永久区域。它和和存放实例的区域不同，GC不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这也导致了永久代的区域会随着加载的Class的增多而胀满，最终抛出OOM异常。

在Java8中，永久代已经被移除，被一个称为“元数据区”（元空间）的区域所取代。

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。类的元数据放入 native memory, 字符串池和类的静态变量放入java堆中. 这样可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制, 而由系统的实际可用空间来控制。

方法区

线程共享，存储已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等等。
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1.类型信息

类型的全限定名
超类的全限定名
直接超接口的全限定名
类型标志（该类是类类型还是接口类型）
类的访问描述符（public、private、default、abstract、final、static）

2.类型的常量池

存放该类型所用到的常量的有序集合，包括直接常量（如字符串、整数、浮点数的常量）和对其他类型、字段、方法的符号引用。常量池中每一个保存的常量都有一个索引，就像数组中的字段一样。因为常量池中保存中所有类型使用到的类型、字段、方法的字符引用，所以它也是动态连接的主要对象（在动态链接中起到核心作用）。

3.字段信息（声明的所有字段）

字段修饰符（public、protect、private、default）
字段的类型
字段名称
方法信息

4.方法信息中包含类的所有方法，每个方法包含以下信息：

方法修饰符
方法返回类型
方法名
方法参数个数、类型、顺序等
方法字节码
操作数栈和该方法在栈帧中的局部变量区大小
异常表

5.类变量（静态变量）

指该类所有对象共享的变量，即使没有任何实例对象时，也可以访问的类变量。它们与类进行绑定。

6.指向类加载器的引用

每一个被JVM加载的类型，都保存这个类加载器的引用，类加载器动态链接时会用到。

7.指向Class实例的引用

类加载的过程中，虚拟机会创建该类型的Class实例，方法区中必须保存对该对象的引用。通过Class.forName(String className)来查找获得该实例的引用，然后创建该类的对象。

8.方法表

为了提高访问效率，JVM可能会对每个装载的非抽象类，都创建一个数组，数组的每个元素是实例可能调用的方法的直接引用，包括父类中继承过来的方法。这个表在抽象类或者接口中是没有的，类似C++虚函数表vtbl。

9.运行时常量池(Runtime Constant Pool)

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，用于存放编译器生成的各种字面常量和符号引用，这部分内容被类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个特征具有动态性，可以在运行期间将新的常量放入池中（典型的如String类的intern()方法）。

线程私有区：

程序计数器：

简述

程序计数器（program counter register）只占用了一块比较小的内存空间，至于小到什么程度呢，这样说吧，有时可以忽略不计的。

作用

可以看作是当前线程所执行的字节码文件（class）的行号指示器。在虚拟机的世界中，字节码解释器就是通过改变计数器的值来选取下一条执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复都需要这玩意来实现的，NB吗？

特性

  1. 因为处理器在一个确定是时刻只会执行一个线程中的指令，线程切换后，是通过计数器来记录执行痕迹的，因而可以看出，程序计数器是每个线程私有的。
  2. 如果执行的是java方法，那么记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址的地址，如果是native方法，计数器的值为空（undefined）。

虚拟机栈：

虚拟机栈是一个后入先出的栈。栈帧是保存在虚拟机栈中的，栈帧是用来存储数据和存储部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接（Dynamic Linking）、方法返回值和异常分派（Dispatch Exception）。线程运行过程中，只有一个栈帧是处于活跃状态，称为“当前活跃栈帧”，当前活动栈帧始终是虚拟机栈的栈顶元素。如下图所示：
java虚拟机内存区域（详细）

  1. 每个线程包含一个栈区，栈中只保存方法中（不包括对象的成员变量）的基础数据类型和自定义对象的引用(不是对象)，对象都存放在堆区中。
  2. 每个栈中的数据(原始类型和对象引用)都是私有的，其他栈不能访问。
  3. 栈分为3个部分：基本类型变量区、执行环境上下文、操作指令区(存放操作指令)。

本地方法栈：
本地方法栈与虚拟机栈发挥的功能非常类似，只是虚拟机栈为虚拟机执行java方法而服务，而本地方法栈为虚拟机执行native方法而服务。
任何本地方法接口都会使用某种本地方法栈。当虚拟机调用java方法时，虚拟机会创建一个栈帧并且压入虚拟机栈；当虚拟机调用本地（native）方法时，虚拟机不会创建新的栈帧，虚拟机栈会保持不变，虚拟机只是简单的动态连接并直接调用相关的本地方法。
java虚拟机内存区域（详细）
该线程首先调用了两个java方法，然后第二个java方法调用了本地方法。假设这是一个c栈，第一个c函数有调用了第二个c函数，第二个函数又调用了一个java方法，进入java栈，然后这个java方法又调用一个java方法，即当前栈帧对应的方法，当前方法。

总结：
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参考：
https://www.cnblogs.com/wade-luffy/p/5813747.html
《深入理解java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》

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