JVM内存区域及相关基本概念

2019-01-09  本文已影响0人  LeonardoEzio

本系列文章整理全基于对《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》的阅读理解之上，其中大部分的概念解释及说明均来自于此书

这一部分主要了解一下JVM(Java 虚拟机)内存模型及相关区域概念。

概述

JVM内存模型就是java程序在运行过程中的数据存储区域分配,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。每个区域都有各自特定的用途，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。Java虚拟机所管理的内存模型如下图所示。

Java虚拟机内存模型.png
运行时数据区
1. 程序计数器：

Program Counter Register,是一块比较小的内存空间，用来标识当前线程所执行的字节码指令的地址（简单理解就是记录程序执行到哪一行代码）。多线程场景下每条线程拥有自己独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，因此这类内存区域我们可以称为“线程私有”的内存区域。

2. Java虚拟机栈（用来存储当前线程运行方法时所需要的数据、指令、返回地址） :

与程序计数器一样，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，动态连接件，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栈中入栈到出栈的过程。Java虚拟机规范中，对这个区域定义了两种异常状况：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，当扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

接下来将通过一段代码以及 javap 指令反解析出的类信息来分析虚拟机栈各部分的构成

示例代码以及 javap 指令反解析出的类信息.png

这里主要通过methodOne方法来分析java虚拟机的相关指令，以及在虚拟机栈中所做的操作：

         0: iconst_0    //将int类型常量0压入操作数栈
         1: istore_2    //弹出操作数栈栈顶元素，保存到局部变量表第2个位置
         2: iload_1     //从局部变量0中装载int类型值压入操作数栈
         3: iload_2     //从局部变量2中装载int类型值压入操作数栈
         4: iadd        //弹出操作数栈中的前两个int相加，并将结果压入操作数栈顶
         5: istore_3    //弹出操作数栈栈顶元素，保存到局部变量表第3个位置
         6: aload_0    //从局部变量0中装载引用类型值

通过上面的图以及具体字节码指令的解释，很容易就弄明白虚拟机这期间都做了什么，接下来看一下虚拟机栈中的结构图。

虚拟机栈空间图示.png

另：关于 javap指令集的含义可以参考这篇文章：Javap 指令集

3. 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。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOIverflowError和OutOfMemoryError异常。

4. Java堆：

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理内存中最大的一块。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。同时，Java堆又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）。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。在现实时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，主要都是通过-Xmx 和-Xms参数控制，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 ：

Method Area 与Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存放Class的相关信息。如类名，访问修饰符，常量池，字段描述，方法描述等。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,目的应该是与Java堆区分开来。同样，当方法区无法满足内存分配需求时，也将抛出OutOfMemoryError异常。

6. 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合引用，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。注意运行时常量池与Class文件常量池一个重要的区别特征就是运行时常量池具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入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，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类中的intern()方法。

7. 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。JDK 1.4中入了NIO(New Input / Output) 类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆内外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

HotSpot虚拟机对象
1. 对象的创建：
2. 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中储存的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

3. 对象的访问定位

Java程序需要通过栈上的reference数据来操作具体的对象，从而就需要虚拟机知道该通过何种方式去定位，访问堆中对象的位置

句柄访问.png 直接指针访问.png
4. OutOfMemoryError 异常（OOM）
/*
 * vm args : -Xms20M -Xmx20M -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 */
public class HeapOomTest {

    static class OomObj{

    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OomObj> ooms = new ArrayList<>();
        while (true){
            ooms.add(new OomObj());
        }
    }
}
***************************************************************************
输出结果：
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid4580.hprof ...
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
    at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
    at test.HeapOomTest.main(HeapOomTest.java:28)
Heap dump file created [28331518 bytes in 0.086 secs]

/*
 * vm args :-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 */
public class RuntimeConstansPoolOom {

    public static void main(String[] args) {
        //使用List保持常量池引用避免回收
        List<String> strs = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true){
            strs.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}
************************************************************************
输出结果：
jdk 1.7之后不会输出任何结果


public class DirectMemoryOOM {  
    
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];  
        unsafeField.setAccessible(true);  
        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);  
        while (true) {  
            unsafe.allocateMemory(_1MB);  
        }
    }
}
********************************************************************************
输出结果：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
    at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
    at test.RuntimeConstansPoolOom.main(RuntimeConstansPoolOom.java:29)

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