Java中虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過程中會(huì)將它所管理的內(nèi)存區(qū)域劃分為若干不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。下面來介紹幾個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域。

一、程序計(jì)數(shù)器

1.1 簡述

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。

1.2 作用

大家都知道，Java程序從源文件創(chuàng)建到程序運(yùn)行要經(jīng)過兩大步驟： 1. 源文件由編譯器編譯成字節(jié)碼（ByteCode）。 2. 字節(jié)碼由java虛擬機(jī)解釋運(yùn)行。

java程序編譯運(yùn)行過程

字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變這個(gè) 程序計(jì)數(shù)器 的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來完成。

1.3 特性

1.3.1 線程私有情況

由于Java虛擬機(jī)的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器（對(duì)于多核處理器來說是一個(gè)內(nèi)核）只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間的計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)椤?strong>線程私有”的內(nèi)存。

1.3.2 異常情況

此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

二、Java虛擬機(jī)棧

2.1 描述

大家經(jīng)常說的棧內(nèi)存(Stack)就是指的虛擬機(jī)棧。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀(Stack Frame)，用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈表、方法出口等信息。

不同的線程使用不同的棧

每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中出棧入棧的過程。

2.2 組成

2.2.1 局部變量表

局部變量表是一組變量值存儲(chǔ)空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量。它可以存儲(chǔ)各種基本數(shù)據(jù)類型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、對(duì)象引用(reference類型)和returnAddress。 1. reference類型：虛擬機(jī)規(guī)范沒有明確說明它的長度。它不等同于對(duì)象本身，根據(jù)虛擬機(jī)種類的不同，可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?#xff0c;也可能是指向一個(gè)代表對(duì)象的句柄或其他與此對(duì)象相關(guān)的位置。 2. returnAddress：指向了一條字節(jié)碼指令的地址，它是為字節(jié)碼指令jsr、jsr_w和ret服務(wù)的。目前returnAddress類型已經(jīng)很少見了，很古老的java虛擬機(jī)曾經(jīng)使用這幾條指令來實(shí)現(xiàn)異常處理，現(xiàn)在已經(jīng)由異常表代替。

注意： 系統(tǒng)不會(huì)為局部變量賦予初始值（實(shí)例變量和類變量都會(huì)被賦予初始值）。也就是說不存在類變量那樣的準(zhǔn)備階段。

2.2.2 操作數(shù)棧

操作數(shù)棧中存放方法執(zhí)行時(shí)的一些中間變量，JVM 在執(zhí)行方法時(shí)壓入或者彈出這些變量。其實(shí)，操作數(shù)棧是方法真正工作的地方，執(zhí)行方法時(shí)，局部變量數(shù)組與操作數(shù)棧根據(jù)方法定義進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 例如，執(zhí)行以下代碼時(shí)，它演示了虛擬機(jī)是如何把兩個(gè)int類型的局部變量相加，再把結(jié)果保存到第三個(gè)局部變量的。操作數(shù)棧的情況如下：

int a = 90; int b = 10; int c = a + b;

字節(jié)碼執(zhí)行過程：

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

在這個(gè)字節(jié)碼序列里，前兩個(gè)指令iload_0和iload_1將存儲(chǔ)在局部變量中索引為0和1的整數(shù)壓入操作數(shù)棧中，其后iadd指令從操作數(shù)棧中彈出那兩個(gè)整數(shù)相加，再將結(jié)果壓入操作數(shù)棧。第四條指令istore_2則從操作數(shù)棧中彈出結(jié)果，并把它存儲(chǔ)到局部變量區(qū)索引為2的位置。下圖詳細(xì)表述了這個(gè)過程中局部變量和操作數(shù)棧的狀態(tài)變化，圖中沒有使用的局部變量區(qū)和操作數(shù)棧區(qū)域以空白表示。

注意在這個(gè)圖中，操作數(shù)棧的頂部是在底邊，所以先壓入的100位于上方。可以看出，操作數(shù)棧其實(shí)是一個(gè)數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)，存放一些中間變量，方法結(jié)束了，操作數(shù)棧也就沒有啦。

2.2.3 動(dòng)態(tài)鏈表

略，待續(xù)

2.3 特性

2.3.1 線程私有情況

與程序計(jì)數(shù)器一樣，Java 虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同

2.3.2 異常情況

如果現(xiàn)場請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；

如果虛擬機(jī)棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展（當(dāng)前大部分的Java虛擬機(jī)都可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，只不過Java虛擬機(jī)規(guī)范中也允許固定長度的虛擬機(jī)棧），如果擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

三、本地方法棧

3.1 描述

本地方法棧（Native Method Stack)與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其 區(qū)別 不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。 虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)（譬如Sun HotSpot虛擬機(jī)）直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。

3.2 特性

3.2.1 線程私有情況

和虛擬機(jī)棧一樣。

3.2.2 異常情況

與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

四、Java堆

4.1 描述

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。

4.2 作用

此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱做“GC堆”（Garbage Collected Heap）。 Java堆的組成： ① 如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代； ② 如果從內(nèi)存分配的角度看，線程共享的Java堆中可能劃分出多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

4.3 特性

4.3.1 線程私有情況

Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，可以被線程之間共享。

4.3.2 異常情況

Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的，不過當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)的（通過-Xmx和-Xms控制）。 如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出`OutOfMemoryError`異常。

五、方法區(qū)

5.1 描述

同 Java 堆一樣，方法區(qū)也是全局共享的一塊內(nèi)存區(qū)域。

5.2 作用

它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

與Java堆不一樣之處在于：方法區(qū)并不是垃圾回收的主要區(qū)域。 相對(duì)而言，垃圾回收在這個(gè)區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載。 一般來說，該區(qū)域的垃圾回收的“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當(dāng)苛刻，但這部分區(qū)域的回收確實(shí)是必要的。由于方法區(qū)的這些特性，很多人也把方法區(qū)稱為“永久代”（Permanent Generation）。 HotSpot虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就選擇把GC分代收集擴(kuò)展至方法區(qū)，或者說使用永久代來實(shí)現(xiàn)方法區(qū)，這樣HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一樣管理這部分內(nèi)存，能夠省去專門為方法區(qū)編寫內(nèi)存管理代碼的工作。

5.3 特性

5.3.1 線程私有情況

與Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域。

5.3.2 異常情況

與java堆類似，不需要連續(xù)的內(nèi)存和可以選擇固定大小或可拓展外，還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾回收。 根據(jù)虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配的需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常。

5.4 運(yùn)行時(shí)常量池

運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）也是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分將在類加載后進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池中存放。

5.4.2 特性

常量池中保存了Class文件中描述的符號(hào)引用和翻譯出來的直接引用。（這里不太懂）

運(yùn)行時(shí)常量池具備動(dòng)態(tài)性。程序在運(yùn)行期間也可能把新的常量放入池中。

六、直接內(nèi)存

6.1 描述

直接內(nèi)存（Direct Memory）并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，它指的是主機(jī)的物理內(nèi)存。之所以拿到這里來說，是因?yàn)榭赡軙?huì)導(dǎo)致OutOfMemoryError異常出現(xiàn)，所以放到這里一并講解。

6.2 如何使用？

那么什么時(shí)候會(huì)直接使用到物理內(nèi)存呢？ 在NIO(New Input/Output)類中，引入了一種基于通道（Channel）與緩沖區(qū)（Buffer）的I/0方式，它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個(gè)存儲(chǔ)在Java堆中的DirectByteBuffer對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。這樣在一些場景中顯著提高性能，因?yàn)楸苊饬嗽贘ava堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

6.3 異常情況

當(dāng)各個(gè)內(nèi)存區(qū)域總和大于物理內(nèi)存限制（包括物理的和操作系統(tǒng)級(jí)的限制），從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn)OutOfMemoryError異常。

七、總結(jié)

最后，讓我們通過表格來大致回顧一下Java虛擬機(jī)中內(nèi)存的特性吧！

內(nèi)存區(qū)域

線程私有情況

異常情況

特性簡述

程序計(jì)數(shù)器	線程私有	唯一一個(gè)沒有異常情況的區(qū)域	當(dāng)前線程所執(zhí)行字節(jié)碼的行號(hào)指示器
Java虛擬機(jī)棧	線程私有	StackOverflowError或OutOfMemoryError異常	用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈表、方法出口等信息，為虛擬機(jī)棧執(zhí)行Java方法服務(wù)
本地方法棧	線程私有	StackOverflowError或OutOfMemoryError異常	為虛擬機(jī)使用到的Native方法(字節(jié)碼)服務(wù)
Java堆	線程共享	OutOfMemoryError異常	存放對(duì)象實(shí)例和主要的垃圾回收區(qū)域
方法區(qū)	線程共享	OutOfMemoryError異常	用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。和Java堆有相似特性，但不是垃圾回收的主要區(qū)域
運(yùn)行時(shí)常量池	線程共享	OutOfMemoryError異常	方法區(qū)的一部分，和方法區(qū)特性類似。保存了Class文件中描述的符號(hào)引用和翻譯出來的直接引用，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)性。
直接內(nèi)存	線程共享	OutOfMemoryError異常	受限于物理內(nèi)存，NIO流可以直接操縱用以提高性能

參考鏈接： 1. 棧幀、局部變量表、操作數(shù)棧 2. Java編譯器、JVM、解釋器 3. Java程序編譯和運(yùn)行的過程

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JVM内存区域详解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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