深入理解Java虚拟机(第二章):Java内存区域与内存溢出异常

来源:互联网 发布:snh48是什么玩意知乎 编辑:程序博客网 时间:2024/05/16 11:45

java虚拟机定义了若干种程序运行时使用到的运行时数据区
1.有一些是 随虚拟机的启动而创建,随虚拟机的退出而销毁
2.第二种则是与线程一一对应,随线程的开始和结束而创建和销毁。

PC寄存器
也叫程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的信号指示器。
字节码解析器工作时通过改变程序计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。程序的分支、循环、跳转、异常处理以及线程恢复等基础功能都是依赖程序计数器来完成。
Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间片来实现,在任何一个时刻,一个处理器只会执行一条线程指令,因此,为了确保线程切换之后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要一个独立的程序计数器,因此程序计数器是线程私有的内存。
在任意时刻,一条JVM线程只会执行一个方法的代码。该方法称为该线程的当前方法(Current Method)
如果该方法是java方法,那PC寄存器保存JVM正在执行的字节码指令的地址
如果该方法是native,那PC寄存器的值是undefined。
此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
Java虚拟机栈
与PC寄存器一样,java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)也是线程私有的。每一个JVM线程都有自己的java虚拟机栈,这个栈与线程同时创建,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:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被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从入栈到出栈的过程。
Java虚拟机栈的局部变量表存放了编译器可知的8种java基本类型数据、对象引用(注意不是对象实例本身)、方法返回地址returnAddress。
Java虚拟机栈的局部变量表空间单位是槽(Slot),其中64位长度的double和long类型会占用两个slot,其余的数据类型只占用一个slot。局部变量表所需内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,该方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

JVM stack 可以被实现成固定大小,也可以根据计算动态扩展。
如果采用固定大小的JVM stack设计,那么每一条线程的JVM Stack容量应该在线程创建时独立地选定。JVM实现应该提供调节JVM Stack初始容量的手段。
如果采用动态扩展和收缩的JVM Stack方式,应该提供调节最大、最小容量的手段。

JVM Stack 异常情况:
StackOverflowError:当线程请求分配的栈容量超过JVM允许的最大容量时抛出
OutOfMemoryError:如果JVM Stack可以动态扩展,但是在尝试扩展时无法申请到足够的内存去完成扩展,或者在建立新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈时抛出。
Java堆
堆是java虚拟机所管理的内存区域中最大一块,java堆是被所有线程所共享的一块内存区域,在java虚拟机启动时创建,堆内存的唯一目的就是存放对象实例(供所有类实例和数据对象分配内存的区域)。几乎所有的对象实例都是在堆分配内存。
Java堆载虚拟机启动的时候就被创建,堆中储存了各种对象,这些对象被自动管理内存系统(Automatic Storage Management System,也即是常说的“Garbage Collector(垃圾回收器)”)所管理。这些对象无需、也无法显示地被销毁。
Java堆的容量可以是固定大小,也可以随着需求动态扩展,并在不需要过多空间时自动收缩。
Java堆所使用的内存不需要保证是物理连续的,只要逻辑上是连续的即可。
JVM实现应当提供给程序员调节Java 堆初始容量的手段,对于可动态扩展和收缩的堆来说,则应当提供调节其最大和最小容量的手段。
Java 堆异常:
OutOfMemoryError:如果实际所需的堆超过了自动内存管理系统能提供的最大容量时抛出。

本地方法栈
本地方法栈与java虚拟机栈作用非常类似,其区别是:java虚拟机栈是为虚拟机执行java方法服务,而本地方法栈是为虚拟机调用的操作系统本地方法服务。
Java虚拟机规范没有对本地方法栈的实现和数据结构做强制规定,Sun HotSpot虚拟机直接把java虚拟机栈和本地方法栈合二为一。
Java虚拟机可能会使用到传统的栈来支持native方法(使用Java语言以外的其它语言编写的方法)的执行,这个栈就是本地方法栈(Native Method Stack)
如果JVM不支持native方法,也不依赖与传统方法栈的话,可以无需支持本地方法栈。
如果支持本地方法栈,则这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。
异常情况:
StackOverflowError:如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量时抛出
OutOfMemoryError:如果本地方法栈可以动态扩展,并且扩展的动作已经尝试过,但是目前无法申请到足够的内存去完成扩展,或者在建立新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈,那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。
方法区
方法区与堆一样,是被各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。虽然java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是方法区却有一个别名叫Non-Heap(非堆)。
Sun HotSpot虚拟机把方法区叫永久代(Permanent Generation),方法区中最重要的部分是运行时常量池。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,用于存放编译期生成的各种字面变量、符号引用、直接引用等,这些内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中,另外在运行期间也可以将新的常量存放到常量池中,如String的intern()方法。
方法区和运行时常量池在无法满足内存分配时,也会抛出OutOfMemoryError异常。
运行时常量池(Runtime Constant Pool)
运行时常量池是每一个类或接口的常量池(Constant_Pool)的运行时表现形式,它包括了若干种常量:编译器可知的数值字面量到必须运行期解析后才能获得的方法或字段的引用。
运行时常量池是方法区的一部分。每一个运行时常量池都分配在JVM的方法区中,在类和接口被加载到JVM后,对应的运行时常量池就被创建。
在创建类和接口的运行时常量池时,可能会遇到的异常:
OutOfMemoryError:当创建类和接口时,如果构造运行时常量池所需的内存空间超过了方法区所能提供的最大内存空间后就会抛出OutOfMemoryError
直接内存
直接内存并不是java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,但是在java开发中还是会使用到。
JDK1.4中新引入的NIO(new I/O),引入了一种基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)的I/O方式,可以使用操作系统本地方法库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在java堆里面的DirectByteBuffer对象作为堆外直接内存的引用进行操作,避免了java堆内存和本地直接内存间的数据拷贝,可以显著提高性能。
虽然直接内存并不直接收到java虚拟机内存影响,但是如果java虚拟机各个内存区域总和大于物理内存限制,从而导致直接内存不足,动态扩展时也会抛出OutOfMemoryError异常。

java虚拟机内存结构中的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈这三个区域随线程创建而生,随线程销毁而灭,因此这三个区域的内存分配和回收是确定的,java垃圾收集器重点关注的是java虚拟机的堆内存和方法区内存。
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