Dive into Java -- (2) JVM Runtime Data Area

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概述

不同于 C/C++ 程序，JVM 拥有自动内存管理机制，使得开发人员不需要手动地释放内存。但是对开发人员来说，还是应当了解 JVM 是如何使用内存的。

JVM 执行 Java 程序时，会根据 Java 虚拟机规范，将它所管理的内存分为几个区域，每个区域有各自的用途和功能。这些区域被称为运行时数据区域（Runtime Data Area）。其框图如下：

图：JVM Runtime Data Area

程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器用于存储每个线程执行的 JVM 字节指令的位置。其工作方式类似于真实 CPU 中的 PC 寄存器。读取当前指令、分支、跳转等都依赖于程序计数器完成。

每一个线程都有独立的程序计数器，彼此互不干扰。因此，此数据区域是“线程私有”的。

另外，当运行 Native 方法时，则此数据区域中不存储信息。

JVM 栈（JVM Stack）

图：JVM 栈和堆示意图

JVM 栈中用于存放当前线程中的一些数据：

1) 局部变量（基本类型）

Java 中定义的八种基本类型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double。

除了 double 型数据占用两个 Slot（局部变量空间）外，其它数据在栈中占用一个 Slot。

2) 对象引用

对象的在堆中的地址或者可以得到对象的句柄。

3) returnAddress类型

指向一条字节码指令的地址。

4) 栈帧（Stack Frame）

栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。一个方法从调用到执行完成的过程，对应于一个栈帧在 JVM 栈中入栈到栈的过程。方法调用时，栈帧入栈；方法返回时，栈帧出栈。

与程序计数器类似，JVM 栈也是线程私有的，每个线程创建的同时都会创建各自的 JVM 栈。

此数据区域上定义了两种 Error：StackOverflowError 和 OutOfMemoryError。如果线程请求的栈深度超过 JVM 所允许的最大深度，将抛出 StackOverflowError；当 JVM 栈需要扩展，但无法申请到足够的内存时，将抛出 OutOfMemoryError。

堆（Heap）

堆是 JVM 用来存储对象实例以及数组值的区域，在虚拟机启动时创建，一般情况下，堆是 JVM 所管理的最大的一块内存区域。

Java 中所有通过 new 创建的对象的内存都在堆中分配，堆是 JVM 中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也导致了 new 对象的开销是比较大的。

堆是 GC 工作的主要区域。

Heap中的对象的内存需要等待GC进行回收。由于 GC 基本都采用分代收集算法，所以堆中还可以细分为：新生代（Young）和老年代（Tenured）。还可以细分为：Eden, From, To 空间。

Sun Hotspot JVM 中，为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间 TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由 JVM 根据运行的情况计算而得，在 TLAB 上分配对象时不需要加锁，因此 JVM 在给线程的对象分配内存时会尽量的在 TLAB 上分配，在这种情况下 JVM 中分配对象内存的性能比较高，但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配。

当堆无法获取足够的内存时，会抛出 OutOfMemoryError。对于 Hotspot JVM，可以通过参数 -Xms -Xmx 调整堆的大小。

方法区（Method Area）

方法区用于存放已被虚拟机所加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为 final 类型的常量、类中的 Field 信息、类中的方法信息。当开发人员在程序中通过 Class 对象中的 getName、isInterface 等方法来获取信息时，这些数据都来自于方法区。

同时方法区域也是全局共享的，在一定的条件下它也会被 GC ，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出 OutOfMemoryError。对于 Hotspot JVM，可以通过 -XX:MaxPermSize 调整方法区大小的上限。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

存放的为类中的固定的常量信息、方法和 Field 的引用信息等，其空间从方法区域中分配。

本地方法栈（Native Method Stacks）

JVM 采用本地方法栈来支持 Native 方法的执行，此区域用于存储每个 Native 方法调用的状态。其与 JVM 栈的功能类似，同样的，也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError。

Reference

  1. Jvm工作原理学习笔记 - OPEN 开发经验库. http://www.open-open.com/lib/view/open1408453806147.html

  2. 舒の随想日记 » 浅析Java虚拟机结构与机制. http://blog.hesey.net/2011/04/introduction-to-java-virtual-machine.html