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JVM運行時資料區域詳解

2022-11-10 07:13:49 後端開發

參考文章:

  • 《Java Se11 虛擬機規范》
  • 《深入理解Java虛擬機-JVM高級特性與最佳實踐 第3版》- 周志明

本文基于Java Se 11講解,

根據《Java虛擬機規范》的規定,Java虛擬機所管理的記憶體將會包括以下幾個運行時資料區域:

對于不同的虛擬機實作,在運行時資料區的實作上并不完全相同,對于常用的HotSpot虛擬機來說,它的運行時資料區如下:

主要區別在于,HotSpot使用了直接使用本地記憶體(即機器本身記憶體)的元空間(metaspace)來實作方法區,

下面針對每個具體的資料區域進行詳細的介紹,

1. 程式計數器

程式計數器(Program Counter Register)是一塊較小的記憶體空間,它可以看作是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器,

JVM可以同時支持多個執行執行緒,每個Java虛擬機執行緒都有自己的pc(程式計數器)暫存器,在任何時候,每個Java虛擬機執行緒都在執行單個方法的代碼,即該執行緒的當前方法,如果該方法不是native方法,則pc暫存器包含當前正在執行的Java虛擬機指令的地址,如果執行緒當前正在執行的方法是native的,則pc暫存器的值為undefined,Java虛擬機的pc暫存器足夠寬,可以容納特定平臺上的returnAddress或native指標,

此記憶體區域是唯一一個在《Java虛擬機規范》中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域,

2. Java虛擬機堆疊

與程式計數器一樣,是執行緒私有的,生命周期與執行緒相同,虛擬機堆疊描述的是Java方法執行的執行緒記憶體模型,

「虛擬機堆疊」里面的每條資料就是「堆疊幀」,在 Java 方法執行的時候則創建一個「堆疊幀」并入堆疊「虛擬機堆疊」,呼叫結束則「堆疊幀」出堆疊,

每個堆疊幀包含四個區域:

  1. 區域變數表:存盤了方法執行程序中需要用到的所有區域變數
  2. 運算元堆疊:暫存變數,通過變數的入堆疊、出堆疊等操作來執行計算
  3. 動態連接:翻譯符號參考為直接參考,即把一個字面量翻譯為運行時的一個地址參考
  4. 回傳地址

每個執行緒擁有一個「虛擬機堆疊」,每個「虛擬機堆疊」擁有多個「堆疊幀」,而堆疊幀則對應著一個方法,每個「堆疊幀」包含區域變數表、運算元堆疊、動態鏈接、方法回傳地址,方法運行結束則意味著該「堆疊幀」出堆疊,

在《Java虛擬機規范》中,對這個記憶體區域規定了兩類例外狀況:

  1. 如果執行緒請求的堆疊深度大于虛擬機所允許的深度,將拋出StackOverflowError例外;
  2. 如果Java虛擬機堆疊容量可以動態擴展(HotSpot虛擬機的堆疊容量不能動態擴展),當堆疊嘗試擴展時無法申請到足夠的記憶體或為一個新執行緒初始化JVM堆疊時沒有足夠的記憶體時會拋出OutOfMemoryError例外,

3. 本地方法堆疊

本地方法堆疊(Native Method Stacks)與虛擬機堆疊所發揮的作用是非常相似的,其區別只是虛擬機堆疊為虛擬機執行Java方法(也就是位元組碼)服務,而本地方法堆疊則是為虛擬機使用到的本地(Native)方法服務

《Java虛擬機規范》對本地方法堆疊中方法使用的語言、使用方式與資料結構并沒有任何強制規定,因此具體的虛擬機可以根據需要自由實作它,甚至有的Java虛擬機(譬如Hot-Spot虛擬機)直接就把本地方法堆疊和虛擬機堆疊合二為一,與虛擬機堆疊一樣,本地方法堆疊也會在堆疊深度溢位或者堆疊擴展失敗時分別拋出StackOverflowErrorOutOfMemoryError例外,

4. Java堆

所有執行緒共享,虛擬機啟動時創建,唯一的目的是用于存放物件實體和陣列,絕大部分物件實體在堆上分配記憶體,

在 Java 中,陣列也是物件,

現代垃圾收集器大部分基于分代收集理論設計,“新生代”、“老年代”這些名詞僅僅是一部分GC的設計風格,而不是《Java虛擬機規范》定義的,而從G1收集器出現之后,出現了不采用分代設計的新垃圾收集器,

JDK8之后Class物件、static變數、字串常量池都放在堆里

static變數作為類的資訊,存盤在Class物件里,

Java 的物件可以分為基本資料型別和普通物件,普通物件會在堆上分配,對于基本資料型別,如果是區域變數,則會在堆疊上分配,其他情況,通常在在堆上分配,逃逸分析的情況下可能會在堆疊分配,

如果在Java堆中沒有記憶體完成實體分配,并且堆也無法再擴展時,Java虛擬機將會拋出OutOfMemoryError例外,

4.1 字串常量池

字串常量池是由String類維護的一個字串池,是一種池化思想的實作,是為了節省重復創建字串物件的性能開銷和記憶體空間,

每當代碼創建字串常量時,JVM會首先檢查字串常量池,如果字串已經存在池中,就回傳池中的實體參考,如果字串不在池中,就會實體化一個字串并放到池中,Java能夠進行這樣的優化是因為字串是不可變的,可以不用擔心資料沖突進行共享,

字串常量池從JDK7開始挪到了堆中,

可以通過呼叫String.intern()方法把一個字串物件放到字串常量池中,如果池中已經存在相等的物件,則會回傳已存在物件的參考;否則會把這個字串物件加入到池中,并回傳新加入的字串物件的參考,


String s = new String("hello")會創建幾個物件?

如果字串常量池中沒有"hello",則生成2個,否則只生成一個,

String s = new String("abc"); System.out.println((s.intern() == s));列印結果是什么?

列印結果為false,s指向的是堆中的物件,s.intern()回傳的是字串常量池中的物件的參考,

4.2 字面量和常量

字面量(literal) :用于表達原始碼中的一個固定值的符號(notation),如整數、浮點數及字串等,如10x01是整數字面量,Hello World是字串字面量,

常量:在java中,final修飾的變數也可以被稱為是常量,任何具有不變性的東西都可以稱為常量,如String物件是常量,

物件池:是Java語言層面實作的,如Integer.valueOf()Integer i = 10也會調該方法)會使用IntegerCache的快取物件,如果使用new Integer(10)則不會使用物件池中的實體,

字串常量池:類似于物件池,但它是JVM層面的技術,字串常量池的實作是c++實作的StringTable,實際上是一個固定容量的Hashtable,每一個bucket包含一系列相同hash碼的字串,

5. 方法區

用于存盤被JVM加載的class的元資料資訊,比如類的結構、運行時的常量池、欄位、常量、方法資料、方法建構式以及介面初始化等特殊方法,還有JIT編譯器編譯后的代碼快取等資料

JDK8之前,HotSpot采用永久代的概念實作方法區,JDK8開始廢棄了永久代的概念,改用在本地記憶體(Native Memory)中實作的元空間(Meta-space)來代替,

方法區的GC比較少出現,回收目標主要是針對常量池的回收對型別的卸載

根據《Java虛擬機規范》的規定,如果方法區無法滿足新的記憶體分配需求時,將拋出OutOfMemoryError例外,

5.1 運行時常量池

運行時常量池(Runtime Constant Pool)是方法區的一部分,Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外,還有一項資訊是常量池表(Constant Pool Table),用于存放編譯期生成的各種字面量符號參考,這部分內容將在類加載后存放到方法區的運行時常量池中,

一般來說,除了保存Class檔案中描述的符號參考外,還會把由符號參考翻譯出來的直接參考也存盤在運行時常量池中

既然運行時常量池是方法區的一部分,自然受到方法區記憶體的限制,當常量池無法再申請到記憶體時會拋出OutOfMemoryError例外,

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