想买保时捷的运维李先生学Java性能之 运行时数据区域

前言

不知道自己不知道，不知道自己知道，知道自己不知道，知道自己知道，目前处于知道自己不知道这个阶段，很痛苦啊，干了4年了运维，是一个坎。越来越发觉想要走得远，还是得扎根底。

 

一、运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把他所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途、以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

 

1）程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可以会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令、分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

 

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时候，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器。各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

 

如果线程正在执行的是一个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；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有任何OutOfMemoryError情况的区域。

 

 

2）Java虚拟机栈

 

 

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型，每个Java方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应这一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

 

我们所讲的栈就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是执行一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

 

64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。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，这个方法需要的帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

 

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutMemoryError异常。

 

3）本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

 

4）Java堆

Java堆（Java Heap）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，很多时候也被称作“GC堆（Garbage Collected Heap）”。  

 

从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间，From Survivor空间，To Survivor空间。

 

从内存分配的角度来看，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，不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。

 

根据Java虚拟机的规范的规定，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，就像我们的磁盘空间一样，在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和Xms控制），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。

 

 

5）方法区

 

方法区（Method Area）和Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已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数据，虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的是与Java堆区分开来。

 

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人更愿意把方法区称为“永久代”（permanent Feneration），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机来说是不存在永久代的概念的。

 

原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代来实现方法区，并不是一个好主意，因为这样更容易遭到内存溢出问题（永久代有--XX：MaxPermSiza）限制。

 

Java虚拟机规范对方法区的限制非常轻松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的。但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的回收成绩比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收是必要的。

 

根据虚拟机规范的规定，当方法无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

 

6）运行时常量池

 

运行时常量（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（Constant Pool Table），用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

 

Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量，java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域。不过一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

 

7）直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁的使用，而且可能导致OutOfMemoryError异常出现。