JVM内存结构

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。Java虚拟机所管理的内存将会包括以下运行时数据区域,如图所示:

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。在虚拟机的概念模型里(仅是概念模型,各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现),字节码解释器的工作时就是通过改变这个计数器的值来选择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刻,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执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各线程之间的计数器互不影响,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,这个计数器的值则为空(Undefined)。

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2、 Java虚拟机栈

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。每个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,就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

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OutOfMemoryError异常。

1) 局部变量表

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、long、float、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,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和返回地址(returnAddress类型,指向了一条字节码指令的地址)。其中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。int,float,reference,returnAddress 占一个 Slot,byte,short,char 会被转成 int,long,double 占两个连续 Slot。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,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

package test;

public class StackDemo {

    //静态方法
    public static int runStatic(int i, long l, float f, Object o, byte b) {
        return 0;
    }

    //实例方法
    public int runInstance(char c, short s, boolean b) {
        return 0;
    }
}

上方代码中,静态方法有6个形参,实例方法有3个形参。其对应的局部变量表如下:

上方表格中,静态方法和实例方法对应的局部变量表基本类似。但有以下区别:实例方法的表中,第一个位置存放的是当前对象的引用。

2) 操作数栈

操作数栈也常被称为操作栈。Java没有寄存器,所有参数传递都是使用操作数栈。

和局部变量表一样,操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组。但是和前者不同的是,它不是通过索引来访问,而是通过标准的栈操作—压栈和出栈—来访问的。比如,如果某个指令把一个值压入到操作数栈中,稍后另一个指令就可以弹出这个值来使用。

虚拟机在操作数栈中存储数据的方式和在局部变量表中是一样的:如int、long、float、double、reference和returnType的存储。对于byte、short以及char类型的值在压入到操作数栈之前,也会被转换为int。

虚拟机把操作数栈作为它的工作区——大多数指令都要从这里弹出数据,执行运算,然后把结果压回操作数栈。比如,iadd指令就要从操作数栈中弹出两个整数,执行加法运算,其结果又压回到操作数栈中,看看下面的示例,它演示了虚拟机是如何把两个int类型的局部变量相加,再把结果保存到第三个局部变量的:

begin  
iload_0    // push the int in local variable 0 onto the stack  
iload_1    // push the int in local variable 1 onto the stack  
iadd       // pop two ints, add them, push result  
istore_2   // pop int, store into local variable 2  
end  

在这个字节码序列里,前两个指令iload_0和iload_1将存储在局部变量中索引为0和1的整数压入操作数栈中,其后iadd指令从操作数栈中弹出那两个整数相加,再将结果压入操作数栈。第四条指令istore_2则从操作数栈中弹出结果,并把它存储到局部变量区索引为2的位置。下图详细表述了这个过程中局部变量和操作数栈的状态变化,图中没有使用的局部变量区和操作数栈区域以空白表示。

int a = 100;
int b = 98;
int c = a+b;

3) 动态链接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属性方法的引用,持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态链接。在Class文件的常量池中存有大量的符号引用,字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用,这种转化称为静态解析。另外一部分将在每一次的运行期期间转化为直接引用,这部分称为动态链接。

4) 方法返回地址

当一个方法被执行后,有两种方式退出这个方法。第一种方式是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令,这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者(调用当前方法的的方法称为调用者),是否有返回值和返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定,这种退出方法方式称为正常完成出口(Normal Method Invocation Completion)。

另外一种退出方式是,在方法执行过程中遇到了异常,并且这个异常没有在方法体内得到处理,无论是Java虚拟机内部产生的异常,还是代码中使用athrow字节码指令产生的异常,只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器,就会导致方法退出,这种退出方式称为异常完成出口(Abrupt Method Invocation Completion)。一个方法使用异常完成出口的方式退出,是不会给它的调用都产生任何返回值的。

无论采用何种方式退出,在方法退出之前,都需要返回到方法被调用的位置,程序才能继续执行,方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息,用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说,方法正常退出时,调用者PC计数器的值就可以作为返回地址,栈帧中很可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时,返回地址是要通过异常处理器来确定的,栈帧中一般不会保存这部分信息。

方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出栈,因此退出时可能执行的操作有:恢复上层方法的局部变量表和操作数栈,把返回值(如果有的话)压入调用都栈帧的操作数栈中,调用PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令等。

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,它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。在虚拟机规范中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强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如Sun HotSpot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,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

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以及数组都要在堆上分配,但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

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)。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。

新生代(Young Generation)

  • Eden 新生的对象
  • Survivor Space 每次GC后还存活的对象,可再细分为 From Survivor 和 To Survivor

老生代(Old Generation)

  • Tenured,存放生命周期长的对象

新生代进行 minor GC,老生代进行 major GC(深度GC)。大部分GC发生在新生代中。

根据Java虚拟机规范的规定,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,即可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,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。

堆内存分配由 -Xmn 来指定:

  • -Xms,初始使用,默认物理内存 1/64
  • -Xmx,最大内存,默认物理内存 1/4

虚拟机会根据堆的空闲情况动态调整推大小,空余大于 70%,会减少到 -Xms,空余小于 40%,会增大到 -Xmx。所以服务器如果配置 -Xms = -Xmx,则可以避免堆自动扩展。

5、 方法区

方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用来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),目的应该是与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,很多人都更愿意把方法区称为“永久代”(Permanent Generation),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。

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

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(Constant Pool Table),用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。直接引用也会存储在运行时常量池。除了类加载阶段,运行时也可以动态加入,比如 String 的 intern() 方法。方法区的大小的分配(-XX:MaxPermSize 最大值-XX:PermSize 最小值)。

6、 关系图

参考资料:《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践》

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