NingG +

Understanding the JVM：内存区域与内存溢出异常

2013-12-02

开篇随便说

C++编写的程序，编写的程序上，要为每个对象分派内存、回收内存；而Java编写的程序，JVM负责进行内存回收（又称垃圾回收，Garbage Collector，简称GC），不过JVM有可能出现内存泄漏和溢出方面的问题。

内存泄漏：不再使用的对象，一直占用内存空间，无法回收。

上面提到JVM对其分配的内存进行GC，那就涉及几个问题：

  1. JVM内存分为几个区域？
  2. 每个区域存储的内容？
  3. 每个区域可能引发的问题？

最终，需要回答一个问题：

JVM获取的内存空间：

  1. 为什么要分区域？
  2. 每个区域什么用途？没有行不行？

JVM运行时数据区

先来一张图：

JVM上运行一个program时，要存储很多东西：字节码文件、实例化的类对象、方法的传入参数、方法的返回值、局部变量、运算的中间结果等。JVM将这些需要存储的内容，以runtime data areas（运行时数据区）的形式进行划分。The Java Virtual Machine Specification（Java SE 8 Edition）中指出runtime data areas，具体包括：

整体上，这些data areas可以划分为两类：thread私有空间和thread共享空间，具体如下图：

PC(Program Counter) Register，程序计数器

简单的说，PC Register是字节码文件的行号指示器，标识当前执行的字节码位置；具体：如果正在执行Java method，则计数器记录的是正在执行的VM字节码指令的地址；如果正在执行native method，则计数器为空（Undefined）。需要说明的是，在某一指定时刻，一个thread只能在执行一个method，即thread的current method只有一个，PC Register就是指向这一method的字节码。

PC Register为什么是thread私有的？CPU资源分配的最小单元是thread，多个thread轮流占用CPU的内核，这样thread的换入换出时，要求保存每个thread的执行状态，这样就无法共用PC Register。

JVM Stack，Java虚拟机栈

JVM Stack，Java Virtual Machine Stack，是thread私有的，其用于存储frames（下文会详细讲解）。其中frame是method在runtime时的基本结构，其用于存储：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。（这些都是什么信息？）Method从调用到执行完成，对应frame的入stack和出stack动作。（请尽快整理JVM stack中存储的frame是什么东西，因为JVM specification中frame的介绍就是安排在JVM stack之后的）

notes(ningg)：普通程序员，将JVM占用的内存空间，简单划分为：堆、栈；这是粗粒度的简单划分，实际要复杂的多；而，普通程序员所说的“栈”就是JVM stack，特别是其中的局部变量表。

局部变量表中存放的内容可能有：各种基本类型数据、对象引用（不是对象本身）、returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。

针对JVM Stack可能出现两类错误：

Native Method Stack，本地方法栈

启动一个JVM process，其中会用到native method，此时，存储native method的执行状态，就需要一个native method stack，这与JVM stack类似，有一点差异：

JVM specification中并没有对native method stack的实现细节做出规定，无论是实现方式、数据结构都可以自由发挥；设置Sun HotSpot VM 将native method stack与JVM stack合二为一。与Native method stack相关的Error也有两种：StackOverflowError和OutOfMemoryError。

Java Heap，Java堆

存放内容：对象实例、数组。实际上，最近JIT编译器技术，例如栈上分配、标量替换等技术导致并不是所有的对象实例和数组都必须在java heap中分配空间。Java Heap是GC的重点区域，从GC角度来看：当前流行分代收集算法，Java heap可以细分为：新生到、老年代，更细致一点，有Eden区、From Survivor区、To Survivor区；从内存分配角度，thread共享的Java Heap可以划分出许多thread私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），无论如何划分，目的只有一个：更好的回收内存、更好的分配内存。

通过两个参数可以设定Java Heap大小：-Xmx\-Xms。当Java Heap空间已满，并且无法扩展时，会抛出OutOfMemoryError。

Method Area，方法区

Method Area，称作“方法区”，其用于存储：类信息、常量、静态变量、JIT编译器编译后的代码等。实际上，JVM specification将Method Area看作存储compiled code的区域，其中还将method area表述为java heap的一个逻辑部分，实际上HotSpot VM的实现中，将Method Aera称为java heap的“永久代”（Permanent Generation），不过Method Area与Permanent Generation并不等价，只是HotSpot利用Permanent Generation的方式来实现Method Area而已，利用Permanent Generation方式来实现Mehtod，并不完美，容易遇到内存溢出（OutOfMemoryError）错误；目前JDK 1.7 中，已经将字符串常量池从Permanent Generation中移除。

Run-time Constant Pool

Runtime Constant Pool是Method area的一部分。需要简要说明一下class文件包含的内容：类的版本、字段、方法、接口等描述信息，还有常量池（Constant Pool Table）。其中，常量池，用于存放编译期产生的各种字面常量和符号引用。（前面什么意思？）

notes(ningg)：在JDK 1.7、JDK 1.8中Runtime Constant Pool还是Method area的一部分吗？

  1. 不是的，JDK 1.7 开始，常量池迁移到了直接内存中；
  2. JDK 1.8 开始，永久代的概念也去掉了，方法区，从永久代迁移到了直接内存；

特别提一下：class文件中常量池（Constant Pool Table）与运行时常量池（Runtime Constant Pool）的区别。执行程序的时候，会将class文件的constant pool table中内容存放到Runtime constant pool中，但runtime constant pool具有动态性，其中内容并不仅限于class文件的constant pool table，程序运行期间，可将新的常量放入池中，常见的比如String的intern()方法。

Direct Memory，直接内存

Direct Memory，不是JVM runtime data areas的一部分，也不是JVM specification中定义的内存区域。但这一内存区域，也被频繁使用，也会导致OutOfMemoryError，因此，将Directory放到此处一并进行说明。

常用场景

JDK 1.4 引入NIO（New Input/Output）类，引入基于通道（channel）和缓冲区（buffer）的I/O方式，可使用Navtive函数库直接分配堆外内存，然后通过java heap中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用，进行操作。这一实现方式，可以避免Java Heap与Native Heap之间来回复制数据带来的性能损耗。

Note：JVM GC 过程中，Full GC 时，会顺便清理一下直接内存的空间。

参考来源

备注

上面提到的只是大致的JVM 内存区域划分情况，具体：对象是如何创建的、内存中如何分布、如何访问这个对象，需要进一步参考深入理解Java虚拟机的2.3 “HotSpot虚拟机对象探秘”章节。还有，书中每个章节的实战部分，需要用心去实践一下，理论要有，实际操作上：参数配置、问题定位与修正，这个能力是工作能力，也要有。

闲谈

看看JVM最具权威的官方文档（Java Language and Virtual Machine Specifications）吧，这是所有JVM相关信息的最初来源，其他绝大多数知识都是对其的理解和重新表述，当然不同的人的理解也有误差。

预告：下一篇文章，介绍GC，大概想了一下，几个问题：如何确定对象可以被回收？如何进行回收？

原文地址：https://ningg.top/understanding-jvm-chapter-2/
微信公众号 ningg, 联系我

同类文章:

微信搜索: 公众号 ningg, 联系我, 交个朋友.

京ICP备19013747号-1
Top