jvm内存模型分析(1)

2019 精帖
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jvm内存模型分析(1)

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

jvm包括三大子系统:类加载子系统,运行时数据区(内存结构),执行引擎

详细图示():

public class Tests {
	
	public int get() {
		int a=1;
		int b=2;
		int c=(a+b)*10;
		return c;
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		Tests s=new Tests();
		s.get();
	}
}

QQ截图20190107225111.png

1.方法区

        1. 方法区又被称为静态区,是程序中永远唯一的元素存储区域。和堆一样,是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、即时编译器编译后的代码等数据。

        2. Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松,除了和Java堆一样 不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展之外,还可以选择不实现垃圾回收。 

这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和类型的卸载,一般而言,这个区域的内存回收比较难以令人满意,尤其是类型的回收,条件相当苛刻,但是这部分区域的内存回收确实是必要的。

        3. 很多开发者更愿意把方法区称为“永久代”(Perm Gen)(Permanent Generation)「总是存放不会轻易改变的内容」。在目前已经发布的JDK 1.7 的HotSpot中,已经把原本放在永久代的字符串常量池移至堆中。

        4. 运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。

2.java虚拟机栈

        1. Java虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期与线程相同(随线程而生,随线程而灭)

        2. 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,如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常;(当前大部分JVM都可以动态扩展,只不过JVM规范也允许固定长度的虚拟机栈)

        3. Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法执行的同时会创建一个栈帧。 对于我们来说,主要关注的stack栈内存,就是虚拟机栈中局部变量表部分。

1>栈帧

        栈帧是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构,它是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈的栈元素。栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回等信息。 每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。 

        在活动线程中,只有位于栈顶的栈帧才是有效的,称为当前栈帧,与这个栈帧相关联的方法称为当前方法。执行引擎运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。

2>局部变量表

        局部变量表是一组变量值存储空间,用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在Java程序被编译成Class文件时,就在方法的Code属性的max_locals数据项中确定了该方法所需要分配的
最大局部变量表的容量。
        局部变量表的容量以变量槽(Slot)为最小单位,32位虚拟机中一个Slot可以存放一个32位以内的数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、reference和returnAddress八种)。
        reference类型虚拟机规范没有明确说明它的长度,但一般来说,虚拟机实现至少都应当能从此引用中直接或者间接地查找到对象在Java堆中的起始地址索引和方法区中的对象类型数据。
        returnAddress类型是为字节码指令jsr、jsr_w和ret服务的,它指向了一条字节码指令的地址。
        虚拟机是使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程的,如果是实例方法(非static),那么局部变量表的第0位索引的Slot默认是用于传递方法所属对象实例的引用,在方法中通过this访问。
        Slot是可以重用的,当Slot中的变量超出了作用域,那么下一次分配Slot的时候,将会覆盖原来的数据。Slot对对象的引用会影响GC(要是被引用,将不会被回收)。
        系统不会为局部变量赋予初始值(实例变量和类变量都会被赋予初始值)。也就是说不存在类变量那样的准备阶段。

3>操作数栈

        Java虚拟机的解释执行引擎被称为"基于栈的执行引擎",其中所指的栈就是指-操作数栈。
操作数栈也常被称为操作栈。
        和局部变量区一样,操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组。但是和前者不同的是,它不是通过索引来访问,而是通过标准的栈操作—压栈和出栈—来访问的。比如,如果某个指令把一个值压入到操作数栈中,稍后另一个指令就可以弹出这个值来使用。
        虚拟机在操作数栈中存储数据的方式和在局部变量区中是一样的:如int、long、float、double、reference和returnType的存储。对于byte、short以及char类型的值在压入到操作数栈之前,也会被转换为int。
        虚拟机把操作数栈作为它的工作区——大多数指令都要从这里弹出数据,执行运算,然后把结果压回操作数栈。比如,iadd指令就要从操作数栈中弹出两个整数,执行加法运算,其结果又压回到操作数栈中

4>动态链接

        每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用,持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。我们知道Class文件的常量池有存有大量的符号引用,字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用,这种转化称为静态解析。另外一部分将在每一次的运行期间转化为直接引用,这部分称为动态连接。

5.方法返回

        当一个方法被执行后,有两种方式退出这个方法。第一种方式是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令,这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者(调用当前方法的方法称为调用者),是否有返回值和返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定,这种退出方法的方式称为正常完成出口(Normal Method Invocation Completion)。

        另外一种退出方式是,在方法执行过程中遇到了异常,并且这个异常没有在方法体内得到处理,无论是Java虚拟机内部产生的异常,还是代码中使用athrow字节码指令产生的异常,只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器,就会导致方法退出,这种退出方法的方式称为异常完成出口(Abrupt Method Invocation Completion)。一个方法使用异常完成出口的方式退出,是不会给它的上层调用者产生任何返回值的。

        无论采用何种退出方式,在方法退出之后,都需要返回到方法被调用的位置,程序才能继续执行,方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息,用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说,方法正常退出时,调用者的PC计数器的值就可以作为返回地址,栈帧中很可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时,返回地址是要通过异常处理器来确定的,栈帧中一般不会保存这部分信息。

        方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出栈,因此退出时可能执行的操作有:恢复上层方法的局部变量表和操作数栈,把返回值(如果有的话)压入调用者栈帧的操作数栈中,调整PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令等。

3.程序计数器

        1. 程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。

        2. 字节码指令、分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都要依赖这个计数器来完成。

        3. 每条线程都有一个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储。如上图所示,我们称这类内存区域为 : 线程私有内存。

        4. 如果线程正在执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Native方法,这个计数器值则为空(Undefined)。

        5. 此内存区域是唯一一个在Java虚拟机中没有规范任何OutOfMemoryError情况的区域。

4.本地方法栈

        该区域与虚拟机栈所发挥的作用非常相似,只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务,而本地方法栈则为使用到的本地操作系统(Native)方法服务。

5.堆

        1. 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,是虚拟机所管理的内存中最大的一块。此内存区域的唯一目的就是【存放对象实例和数组】,几乎所有的对象实例和数组都在这里分配内存。

        2. Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,也称为GC 垃圾堆。后面会专门分析GC算法。 

从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以Java堆可以细分为:新生代、老生代; 

从内存分配的角度看,线程共享的Java堆可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB); 

不论如何划分,都与存放的内容无关,无论哪个区域,存储的仍然是对象实例和数组。

        3. 如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆上也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

        4. 内存泄露和内存溢出 

        内存泄露 : 指程序中动态分配内存给一些临时对象,但是对象不会被GC所回收,它始终占用内存。即被分配的对象可达但已无用,可用内存越来越少。 

        内存溢出 : 指程序运行过程中无法申请到足够的内存而导致的一种错误。内存溢出通常发生于老年代或永久代垃圾回收后,仍然无内存空间容纳新的Java对象的情况。 

内存泄露是内存溢出的一种诱因,不是唯一因素。

运行时常量池

        它是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外,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号引用,这部分内容将在类加载后存放到常量池中。

        运行时常量是相对于常量来说的,它具备一个重要特征是:动态性。当然,值相同的动态常量与我们通常说的常量只是来源不同,但是都是储存在池内同一块内存区域。Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生,运行期间也可能产生新的常量,这些常量被放在运行时常量池中。这里所说的常量包括:基本类型包装类(包装类不管理浮点型,整形只会管理-128到127)和String(也可以通过String.intern()方法可以强制将String放入常量池)


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