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解答

JVM运行时数据区可划分为,程序计数器(PC寄存器),Java虚拟机栈,本地方法栈,方法区和堆。
其中方法区和堆属于线程之间共享的,程序计数器(PC寄存器),Java虚拟机栈,本地方法栈属于线程私有的。

JVM运行时数据区划分

补充

程序计数器(PC寄存器)

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器

PC寄存器

程序计数器也叫PC寄存器,对于PC寄存器这个名字,可能有人会误以为这是一个寄存器,但事实上PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟,PC寄存器中存储的是下一条指令的地址,执行引擎(Execution Engine)根据PC寄存器将指令转化为机器语言。
对于每个线程来说,需要执行的下一条指令的地址是不同的,在CPU快速切换的过程中,线程需要保存下一条指令的位置以便于下次CPU再次切换回来时继续执行,因此PC寄存器需要线程私有。
这种一个CPU通过快速切换多个程序看似同时执行称为并发,与并行不同,可以将并发看作一对多的模式,将并行看作多对多的模式。

工作原理

在虚拟机的概念模型里(仅是概念模型,各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现),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,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
由于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的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。
因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要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,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
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)。

异常

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

与程序计数器一样,Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的,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:每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(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。

虚拟机栈的局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference类型,它不等同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和returnaddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。
其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(Sot),其余的数据类型只占用1个。
局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时, 这个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。

在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常状况

  1. 如果线程请求的梭深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出StackoverflowError异常;
  2. 如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展,只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈), 如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈(Native Method Stack)与虚拟机机所发挥的作用是非常相似的,它们之间的区别不过是虛拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法则为虚拟机使用到的Native方法服务。
在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。
甚至有的虚拟机(比如Sun Hotspot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为ー。

异常

与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackoverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

对于大多数应用来说,Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。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。

此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,Java 世界里几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

这一点在Java虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着JT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

Java堆的划分

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候世被称做“GC堆”(Garbage Collected Heap)。
从内存回收的角度来看,由于现在收集器大部分都采用分代收集算法,所以Java堆中还可以细分为:新生代和老年代:再细致一点的有Eden空间、 From Survivor空间、 To Survivor空间等。
从内存分配的角度来看,线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。

不过无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的都仍然是对象实例,进一步划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存

Java虚拟机规范

根据Java虚拟机规范的规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可,就像我们的磁盘空间一样。
在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。

异常

如果在堆没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

方法区

方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共皇的内存区域,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。
虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫Non-Heap(非堆),目的应该是与Java堆区分开来。

永久代

说到方法区,不得不提一下"永久代"这个概念,尤其是 JDK8 以前,对于习惯在 Hotspot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说,很多人都更愿意把方法区称为“永久代”( Permanent Generation),本质上两者并不等价,仅仅是因为 Hotspot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区而已,这样Hotspot的垃圾收集器可以像管理Java雄一样管理这部分内存,能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。
对于其他虚拟机(如 BEA Jrockit、IBMJ9等)来说是不存在永久代的概念的。

原则上,如何实现方法区属于虚拟机实现细节,不受虚拟机规范约束,但使用永久代来实现方法区,现在看来并不是一个好主意,因为这样更容易遇到内存溢出问题(永久代有-XX: Maxpermsize的上限,J9和 Jrockit只要没有触碰到进程可用内存的上限,例如32 位系统中的4GB,就不会出现问题),而且有极少数方法(例如 String. Intern0)会因这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。

永久代到元空间

考虑到 HotSpot 未来的发展,在 JDK6 的时候 HotSpot 开发团队就有放弃永久代,逐步改为采用本地内存来实现方法区的计划了,
到了 JDK7 的时候,已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出,
而 JDK8,终于完全废弃了永久代的概念,改用与 JRockit、J9 一样在本地内存中实现的元空间(Metaspace)来代替,把 JDK7 中永久代还剩余的内容(主要是类型信息)全部移到元空间中。

Java虚拟机规范

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外,还可以选择不实现垃圾收集。

方法区与垃圾回收

相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载,一般来说,这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻,但是这部分区域的回收确实是必要的。
在Sun公司的BUG列表中,曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的 Hotspot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

异常

根据Java虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出 OutOfMemoryError 异常。

Q.E.D.


大数据开发工程师,精通 Spark,擅长 Java 和 Scala