JVM深度解析和面试点2：JVM内存结构

问题导读：

1. Java 虚拟机的内存空间分为哪几部分？
2. 程序计数器的作用及特点是什么？
3. 直接内存与堆内存比较有哪些优缺点？

上一篇JVM深度解析和面试点1：HotSpot虚拟机对象及垃圾收集策略与算法
https://www.aboutyun.com/forum.php?mod=viewthread&tid=29400


JVM 内存结构

---

Java 虚拟机的内存空间分为 5 个部分：

• 程序计数器
• Java 虚拟机栈
• 本地方法栈
• 堆
• 方法区 JDK 1.8 同 JDK 1.7 比，最大的差别就是：元数据区取代了永久代。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：元数据空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。
  

程序计数器（PC 寄存器）

---

程序计数器的定义

程序计数器是一块较小的内存空间，是当前线程正在执行的那条字节码指令的地址。若当前线程正在执行的是一个本地方法，那么此时程序计数器为Undefined。

程序计数器的作用

• 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制。
• 在多线程情况下，程序计数器记录的是当前线程执行的位置，从而当线程切换回来时，就知道上次线程执行到哪了。
  

程序计数器的特点

• 是一块较小的内存空间。
• 线程私有，每条线程都有自己的程序计数器。
• 生命周期：随着线程的创建而创建，随着线程的结束而销毁。
• 是唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域。
  

Java 虚拟机栈（Java 栈）

---

Java 虚拟机栈的定义

Java 虚拟机栈是描述 Java 方法运行过程的内存模型。

Java 虚拟机栈会为每一个即将运行的 Java 方法创建一块叫做“栈帧”的区域，用于存放该方法运行过程中的一些信息，如：

• 局部变量表
• 操作数栈
• 动态链接
• 方法出口信息
• ......
  

压栈出栈过程

当方法运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中。

Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。

方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

由于Java 虚拟机栈是与线程对应的，数据不是线程共享的，因此不用关心数据一致性问题，也不会存在同步锁的问题。

Java 虚拟机栈的特点

• 局部变量表随着栈帧的创建而创建，它的大小在编译时确定，创建时只需分配事先规定的大小即可。在方法运行过程中，局部变量表的大小不会发生改变。
• Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
• StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度时，抛出 StackOverFlowError 异常。
• OutOfMemoryError 若允许动态扩展，那么当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展时，抛出 OutOfMemoryError 异常。
• Java 虚拟机栈也是线程私有，随着线程创建而创建，随着线程的结束而销毁。
  

出现 StackOverFlowError 时，内存空间可能还有很多。

本地方法栈（C 栈）

---

本地方法栈的定义

本地方法栈是为 JVM 运行 Native 方法准备的空间，由于很多 Native 方法都是用 C 语言实现的，所以它通常又叫 C 栈。它与 Java 虚拟机栈实现的功能类似，只不过本地方法栈是描述本地方法运行过程的内存模型。

栈帧变化过程

本地方法被执行时，在本地方法栈也会创建一块栈帧，用于存放该方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。

方法执行结束后，相应的栈帧也会出栈，并释放内存空间。也会抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 异常。

如果 Java 虚拟机本身不支持 Native 方法，或是本身不依赖于传统栈，那么可以不提供本地方法栈。如果支持本地方法栈，那么这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。

堆

---

堆的定义

堆是用来存放对象的内存空间，几乎所有的对象都存储在堆中。

堆的特点

• 线程共享，整个 Java 虚拟机只有一个堆，所有的线程都访问同一个堆。而程序计数器、Java 虚拟机栈、本地方法栈都是一个线程对应一个。
• 在虚拟机启动时创建。
• 是垃圾回收的主要场所。
• 进一步可分为：新生代(Eden区 From Survior To Survivor)、老年代。
  

不同的区域存放不同生命周期的对象，这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法，更具有针对性。

堆的大小既可以固定也可以扩展，但对于主流的虚拟机，堆的大小是可扩展的，因此当线程请求分配内存，但堆已满，且内存已无法再扩展时，就抛出 OutOfMemoryError 异常。

Java 堆所使用的内存不需要保证是连续的。而由于堆是被所有线程共享的，所以对它的访问需要注意同步问题，方法和对应的属性都需要保证一致性。

方法区

---

方法区的定义

Java 虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分。方法区存放以下信息：

• 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
  

方法区的特点

• 线程共享。 方法区是堆的一个逻辑部分，因此和堆一样，都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区。
• 永久代。 方法区中的信息一般需要长期存在，而且它又是堆的逻辑分区，因此用堆的划分方法，把方法区称为“永久代”。
• 内存回收效率低。 方法区中的信息一般需要长期存在，回收一遍之后可能只有少量信息无效。主要回收目标是：对常量池的回收；对类型的卸载。
• Java 虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。 和堆一样，允许固定大小，也允许动态扩展，还允许不实现垃圾回收。
  

运行时常量池

方法区中存放：类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。常量就存放在运行时常量池中。

当类被 Java 虚拟机加载后， .class 文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间，可以向常量池中添加新的常量。如 String 类的 intern() 方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。

直接内存（堆外内存）

---

直接内存是除 Java 虚拟机之外的内存，但也可能被 Java 使用。

操作直接内存

在 NIO 中引入了一种基于通道和缓冲的 IO 方式。它可以通过调用本地方法直接分配 Java 虚拟机之外的内存，然后通过一个存储在堆中的DirectByteBuffer对象直接操作该内存，而无须先将外部内存中的数据复制到堆中再进行操作，从而提高了数据操作的效率。

直接内存的大小不受 Java 虚拟机控制，但既然是内存，当内存不足时就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

直接内存与堆内存比较

• 直接内存申请空间耗费更高的性能
• 直接内存读取 IO 的性能要优于普通的堆内存。
• 直接内存作用链： 本地 IO -> 直接内存 -> 本地 IO
• 堆内存作用链：本地 IO -> 直接内存 -> 非直接内存 -> 直接内存 -> 本地 IO
  

服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

文章作者：wangzhiwubigdata
文章来源：JVM 内存结构