JVM(Java Virtual Machine,Java 虚拟机),是一个可以运行 Java 字节码的虚拟机进程,这些 Java 字节码文件 ( .class ) 是由 Java 源文件 ( .java ) 编译而来。

Java 虚拟机让 Java 实现了「平台无关性」。

Java 虚拟机在执行 Java 程序的时候,会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域,如图所示:

jvm 内存区域及结构图.jpg

1. 类加载器

在 JVM 启动或者类运行时,将所需要的 class 加载到 JVM 中。

2. 程序计数器

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。若当前线程正在执行的是一个 Java 方法,则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;若当前线程正在执行的是一个 Native 方法,则这个计数器的值为空(Undefined)。

在虚拟机的概念模型里,字节码解释器的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,例如分支、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。

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。

3. Java 虚拟机栈(栈内存)

Java 虚拟机栈(JVM Stack)是线程私有的,它描述的是 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;每一个方法从调用到执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表中存放了编译期可知的 8 种基本数据类型、reference 类型(实例对象的引用)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址,目前已很少见了)。局部变量表的容量以变量槽(Variable Slot,简称 Slot)为最小单位,其中 64 位长度的 long 和 double 类型的数据会占用 2 个 slot 空间,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会完成分配(PS:局部变量表中的 Slot 是可以复用的)。

对于此内存区域,如果线程请求的栈深度大于虚拟机栈所允许的最大深度,将抛出 StackOverflowError 异常;如果此虚拟机栈支持动态扩展(当前大部分的 JVM 都是支持动态扩展的),且扩展时申请不到足够的内存,将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

4. 本地方法栈

本地方法栈(Native Method Stack)与虚拟机栈的作用非常相似,区别是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法(也就是字节码)进行服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。

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

5. Java 堆

Java 堆(Java Heap)是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。几乎所有的对象实例和数组都在堆上分配内存,因此 Java 堆也是垃圾收集器管理的主要区域。

Java 堆中的内存区域还可以进一步细分。例如,从内存回收的角度看,由于现在收集器都采用的是分代收集算法,所以还可以细分为新生代(young)和老年代(old),其中新生代还可以进一步分为 Eden 空间、From Survivor 空间和 To Survivor 空间等;从内存分配的角度来看,线程共享的 Java 堆中可能会划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)。

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,就像磁盘空间一样。

如果堆中没有可用的内存来完成实例分配了,并且堆也无法再扩展时,将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

6. 方法区

方法区(Method Area)与 Java 堆的一个逻辑部分(但它也叫 Non-Heap,应与 Java 堆区分开来),是所有线程共享的内存区域,它用于存储已经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。

运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分,它不仅用于存放编译期生成的各种字面量和符号应用,还可以在运行期间将新的常量放入池中(例如 String 类的 intern() 方法)。

相对而言,这个区域的垃圾收集行为是较少出现的,且这个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。

当方法区无法满足内存分配的需求时,将抛出 OutOfMemoryError 异常。

7. 本机直接内存

直接内存(Direct Memory)并不是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,而是在 JDK 1.4 中随着 NIO (New Input/Output) 的加入而引入的。

它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作,或者通过 Unsafe 类的 allocateMemory() 方法申请分配内存。这样能在一些 I/O 操作频繁的场景中显著提高性能,因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制,但是受到本机总内存大小的限制。所以在配置虚拟机参数时,不要忽略直接内存,防止出现 OutOfMemoryError 异常。