JVM内存管理基础

JVM 内存区域

JVM会将Java进程所管理的内存划分为若干不同的数据区域. 这些区域有各自的用途、创建/销毁时间:

一. 线程私有区域

线程私有数据区域生命周期与线程相同, 依赖用户线程的启动/结束而创建/销毁(在Hotspot VM内, 每个线程都与操作系统的本地线程直接映射, 因此这部分内存区域的存/否跟随本地线程的生/死).

1. Program Counter Register(程序计数器):

一块较小的内存空间, 作用是当前线程所执行字节码的行号指示器(类似于传统CPU模型中的PC), PC在每次指令执行后自增, 维护下一个将要执行指令的地址. 在JVM模型中, 字节码解释器就是通过改变PC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PC完成(仅限于Java方法, Native方法该计数器值为undefined).
不同于OS以进程为单位调度, JVM中的并发是通过线程切换并分配时间片执行来实现的. 在任何一个时刻, 一个处理器内核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执行位置, 每条线程都需要有一个独立的程序计数器, 这类内存被称为“线程私有”内存.

2. Java Stack(虚拟机栈)

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型: 每个方法被执行时会创建一个栈帧(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. 每个方法被调用至返回的过程, 就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程(VM提供了-Xss来指定线程的最大栈空间, 该参数也直接决定了函数调用的最大深度).

局部变量表(对应我们常说的‘堆栈’中的‘栈’)存放了编译期可知的各种基本数据类型(如boolean、int、double等) 、对象引用(reference : 不等同于对象本身, 可能是一个指向对象起始地址的指针, 也可能指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置, 见下: HotSpot对象定位方式) 和 returnAddress类型(指向一条字节码指令的地址). 其中long和double占用2个局部变量空间(Slot), 其余只占用1个. 如下Java方法代码可以使用javap命令或javassist等字节码工具读到:

public String test(int a, long b, float c, double d, Date date, List<String> list) {

    StringBuilder sb = new StringBuilder().append(a).append(b).append(c).append(d).append(date);

    for (String str : list) {

        sb.append(str);

    }

    return sb.toString();

}

注: javap/javassist读到的其实是静态数据, 而局部变量表内存储的却是运行时动态加载的动态数据, 但因为局部变量表所需的内存空间在编译期间即可完成分配, 当进入一个方法时, 这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间大小不会改变, 因此可以在概念上认定这两部分内容存储的数据格式相同.

3. Native Method Stack(本地方法栈)

与Java Stack作用类似, 区别是Java Stack为执行Java方法服务, 而本地方法栈则为Native方法服务, 如果一个VM实现使用C-linkage模型来支持Native调用, 那么该栈将会是一个C栈(详见: JVM学习笔记-本地方法栈(Native Method Stacks)), 但HotSpot VM直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一.

二. 线程共享区域

随虚拟机的启动/关闭而创建/销毁.

1. Heap(Java堆)

几乎所有对象实例和数组都要在堆上分配(栈上分配、标量替换除外), 因此是VM管理的最大一块内存, 也是垃圾收集器的主要活动区域. 由于现代VM采用分代收集算法, 因此Java堆从GC的角度还可以细分为: 新生代(Eden区、From Survivor区和To Survivor区)和老年代; 而从内存分配的角度来看, 线程共享的Java堆还还可以划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB). 而进一步划分的目的是为了更好地回收内存和更快地分配内存.

2. Method Area(方法区)

即我们常说的永久代(Permanent Generation), 用于存储被JVM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. HotSpot VM把GC分代收集扩展至方法区, 即使用Java堆的永久代来实现方法区, 这样HotSpot的垃圾收集器就可以像管理Java堆一样管理这部分内存, 而不必为方法区开发专门的内存管理器(永久带的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和类型的卸载, 因此收益一般很小)

不过在1.7的HotSpot已经将原本放在永久代的字符串常量池移出:

而在1.8中, 永久区已经被彻底移除, 取而代之的是元数据区Metaspace(这一点在查看GC日志和使用jstat -gcutil查看GC情况时可以观察到),与永久代不同, 如果不指定Metaspace大小, 如果方法区持续增长, VM会默认耗尽所有系统内存.

运行时常量池
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,还有一项常量池(Constant Pool Table)用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用, 这部分内容会存放到方法区的运行时常量池中(如前面从test方法中读到的signature信息). 但Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生, 即并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池, 运行期间也可能将新的常量放入池中, 如String的intern()方法.

三. 直接内存

直接内存并不是JVM运行时数据区的一部分, 但也会被频繁的使用: 在JDK 1.4引入的NIO提供了基于Channel与Buffer的IO方式, 它可以使用Native函数库直接分配堆外内存, 然后使用DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作(详见: Java I/O 扩展), 这样就避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据, 因此在一些场景中可以显著提高性能.
显然, 本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制(即不会遵守-Xms、-Xmx等设置), 但既然是内存, 则肯定还是会受到本机总内存大小及处理器寻址空间的限制, 因此动态扩展时也会出现OutOfMemoryError异常.