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  • 主要给大家介绍了关于Java虚拟机运行时数据区域的相关资料,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家学习或者使用Java具有一定的参考学习价值,需要的朋友们下面来一起学习学习吧
  • Java运行时数据区域划分

    千次阅读 2019-05-24 16:14:19
    在虚拟机的概念模型里面,字节码解释器工作时候就是通过改变机器数起的值来选择下一条需要执行的字节码执行,分支、循环、跳转、异常处理等基础功能都需要依赖计数器完成。 由于JAVA虚拟机的多线程是通过线程轮流...

     

     

     

    1.程序计数器

    程序计数器(program counter register)是一块比较小的内存空间,它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里面,字节码解释器工作时候就是通过改变机器数起的值来选择下一条需要执行的字节码执行,分支、循环、跳转、异常处理等基础功能都需要依赖计数器完成。

    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,一个处理都只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后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,我们叫这类内存区域为"线程私有"

    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,如果执行的是Native方法,这个计数器则为空。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。

    2.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,它的生命周期和线程相同。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桢(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,就对应着一个栈桢在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

    在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常情况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机锁允许的深度,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,就睡抛出OutOfMemeoryError异常,也就是OOM异常.

    3.本地方法栈

    本地方法栈(native method stack)与虚拟机栈所发挥的所用非常相似,他们之间的区域不过就是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机用的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。甚至有的虚拟机(Sun HotSpot虚拟机)直接合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈预期也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

    4.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。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JIT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不是那么绝对了

    Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称作为"GC堆"(Garbage Collected Heap).从内存回收的角度来看,由于收集器基本都采用分代收集算法,所以Java堆还可以细分为:新生代和老年代。在细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survior空间等。从内存分配的角度来看,线程共享的Java堆中可能划分多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer:TLAB)。无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的都是对象实例,进一步划分的目的是为了更好的回收内存或者更快的分配内存。

    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,就像我们的磁盘一样。在实现时,既可以实现固定大小的,也可以扩展的,不过当前的虚拟机都是按照可以扩展的来实现(通过-Xmx和-Xms控制),如果堆中没有分配内存完成实例分配,并且堆也无法在扩展的时候,将会抛出OutOfMememoryError异常。

    5.方法区

    方法区(method area)与Java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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却又一个别名叫做non-heap(非堆),目的应该是与Java堆区分开来。

    习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署的开发者来说,很多都愿意把方法区成为"永久带"(permanet generation),本质上两者并不等价,仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队把GC分代收集扩展至方法区,或者说使用永久代实现方法区而已,这样的HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆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。对于其他虚拟机来说是不存在永久代的概念。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,但是用永久代实现方法区,现在看来不是一个好主意,因为这样容易遇到内存溢出问题(永久代有-XX:MaxPerSize的上限,J9和JRockit只要没有接触到进程可用内存的上线,列入32位系统的4GB,就不会出现问题),而且有极少数方法(列入String.intern())会因为这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。因此,低于HotSpot虚拟机,根据官方发布的路线图信息,现在也有放弃永久代并逐步采用Native Memory来实现方法区的规划,在目前已经发布的JDK1.7的HotSpot中,已经把原来放在永久代的字符串常量池移出。

    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。相对而言,垃圾收集行为在这个区域比较少出现的,但并非数据进入的方法区就如永久代名字一样"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趋势是必要的。

    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OutOfMemeoryError异常。

    6.运行时常量池

    运行时常量池(runtime constant pool)是方法区的一部分。class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有信息常量池,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

    Java虚拟机对class文件每一部分(包括常量池)的格式都有严格规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行,但对于运行时常亮吃,Java虚拟机规范没有做任何细节的要求,不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过,一般来说,除了保存class文件描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

    运行时常量池相对于class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性,Java语言并不需要常量一定只有编译器才能产生,也就是并非预置入class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用的比较多的就是String类的intern()方法。

    既然运行时常量池也是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法在申请到内存时会抛出OutOfMemeoryError异常。

    7.直接内存

    直接内存(direct memeory)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。但是这部分也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemeoryError异常出现。

    以上内存来自深入理解Java虚拟机一书的知识点。


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  • Java 内存区域-运行时数据区域

    千次阅读 2018-08-19 20:46:08
    一开始看的比较快,对JVM 运行时数据区域只有一个模糊的概念,不太清楚不同内存区域里面到底存放了那些数据,所以在此记录。   我们都知道Java 与C、C++ 最大的区别就是内存管理领域(Java 有内存动态分配和垃圾...

      最近在学习JVM 的相关知识。一开始看的比较快,对JVM 运行时数据区域只有一个模糊的概念,不太清楚不同内存区域里面到底存放了那些数据,所以在此记录。

      我们都知道Java 与C、C++ 最大的区别就是内存管理领域(Java 有内存动态分配和垃圾收集技术)。在《深入理解Java虚拟机》中描述C、C++ 对内存的管理:对于从事C、C++ 的程序开发人员来说,在内存管理区域,他们即是拥有最高权力的”皇帝”,又是从事最基础工作的”劳动人员”——既拥有每个对象的”所有权”,又担负着每个对象生命开始到终结的维护任务。

      对于Java 来说,由于Java 程序是交给JVM 执行的,所以了解Java 内存区域其实就是了解JVM 内存区域。

    一、 JVM运行时数据区域

    • 什么是运行时数据区域?

    这里我们需要了解一下Java 程序的执行流程:
    这里写图片描述

    如上图所示,首先Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀),然后由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件,加载完毕之后,交由JVM执行引擎执行。在整个程序执行过程中,JVM会用一段空间来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息,这段空间一般被称作为Runtime Data Area(运行时数据区)

    • 看看正规的描述

    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。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有点区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java 虚拟机规范》的规定,Java 虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区。
    (蓝色为线程私有,橙色为共有)
    JVM运行时数据区

    二、各数据区介绍

    下面我们来分别了解一下各个数据区:

    1. 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(也有人称PC 寄存器)。在虚拟机的概念模型里,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。

    解释到这里可能有的小伙伴还是很懵。前面我们谈到Java 程序的执行流程里面谈到了

    Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀),然后
    由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件,加载完毕之后,交由JVM执行引擎执行。

    由于Java 虚拟机的多线程是通过轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,任何时候,一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此为了线程切换后能够恢复发到正确的位置,我们就需要程序计数器来记录程序执行的位置。举个CPU 的解释栗子:当你在看砖头书的时候你妈叫你去吃饭,作为一个肥宅,肯定快乐的扔掉书就跑了。但你又继续啃书的时候才发现不知道自己看到哪了。怎么解决?下次卡个书签呗。程序计数器就是这个道理,记录程序的字节码的执行位置,当当前线程重新拥有CPU 时可以继续执行剩下的代码。

    通过上面的解释可以很清晰的理解不同的线程肯定不能共用一个程序计数器,每条线程都需要有一个独立的的程序计数器,各条线程间计数器互不影响,独立存储。我们称这类内存区域为”线程私有”。在JVM规范中规定,如果线程执行的是一个Java方法,则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的字节码地址;如果线程执行的是native方法,则程序计数器中的值是空(undefined)。前面我们提到了:程序计数器是一个很小的内存地址。此内存区域是唯一一个在Java 虚拟机中没有规定任何内存泄露(OutOfMemoryError)情况的区域,程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变。就像书签一样,不管卡在那,它自己不会变。

    2. Java 虚拟机栈

    Java 虚拟机栈(Java Vitual Machine Stack)跟C 中栈有点类似。与程序计数器一样,Java 虚拟机栈也是线程私有的。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中入栈到出栈的过程。

    周大大的解释可以说是很精简了。程序每执行一个方法,就会分配一个栈帧,并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后,便会将栈帧出栈。因此可知,线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。讲到这里,大家就应该会明白为什么在使用递归方法的时候容易导致栈内存溢出的现象了。
    Java 虚拟机栈

    • 局部变量表

    局部变量表,顾名思义,就是用来存储在编译器可知的基本数据类型的变量(8种基本数据类型);对象引用(reference 类型, 对于引用类型的变量,存的是指向对象起始地址的引用指针)和returnAddress 类型(方法返回地址,当一个方法执行完毕之后,要返回之前调用它的地方,因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址)。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了,因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。

    • 操作数栈

    操作数栈,想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生,栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中,实际上就是不断执行语句的过程,而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说,程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

    • 两种异常状况
      StackOverflowError 异常
       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。
      OutOfMemoryError 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。

    3. 本地方法栈

    本地方法栈和虚拟机栈发挥的作用十分相似。同样是线程私有,它们之间的区别不过是虚拟机栈为Java 方法服务,而本地方法栈为虚拟机使用到的Native 方法服务。在JVM规范中,并没有对本地方发展的具体实现方法以及数据结构作强制规定,虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和Java栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈也会抛出StackOverflowError 异常和OutOfMemoryError 异常。

    4. Java 堆

    Java 堆(Java Heap)是Java 虚拟机所管理的最大的一块内存。Java 堆是被所有线程共享。Java 堆的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例以及数组都是在这里分配内存。这一点在《Java 虚拟机规范》中的描述:

    所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象在堆上分配也变得不那么“绝对”了。

    Java 堆是垃圾收集器的主要区域,因此很多时候也叫“GC”堆。

    5. 方法区

    方法区(Method Area)与堆一样,是被哥哥线程共享的内存区域。在方法区中,存储了每个类的信息(包括类的名称、方法信息、字段信息)、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。

    在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池,用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。

    运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分,它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式,在类和接口被加载到JVM后,对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池,在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中,比如String的intern方法。

    在JVM规范中,没有强制要求方法区必须实现垃圾回收。很多人习惯将方法区称为“永久代”,是因为HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区,从而JVM的垃圾收集器可以像管理堆区一样管理这部分区域,从而不需要专门为这部分设计垃圾回收机制。不过自从JDK7之后,Hotspot虚拟机便将字符串常量池从永久代移除了。

    6. 直接内存

    直接内存(Direct Memory)不是Java 虚拟机规范中定义的内存区域。

    在JDK1.4 中新加入的NIO 类,引入了一种基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)的I/O 形式,他可以使用Native 函数直接分配堆外内存,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。这样能在一些场所显著提高性能,因为避免了在Java 堆和Native 堆中来回复制数据。

    本机直接内存受本机总内存限制。

    参考资料:

      https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3613043.html
      
      《深入理解Java虚拟机》

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  • Java 内存区域和内存模型是不一样的东西,内存区域是指 Jvm ...Java运行时数据区域 众所周知,Java 虚拟机有自动内存管理机制,如果出现内存泄漏和溢出方面的问题,排查错误就必须要了解虚拟机是怎样使用内存的。 ...

     

    Java 内存区域和内存模型是不一样的东西,内存区域是指 Jvm 运行时将数据分区域存储,强调对内存空间的划分。

    而内存模型(Java Memory Model,简称 JMM )是定义了线程和主内存之间的抽象关系,即 JMM 定义了 JVM 在计算机内存(RAM)中的工作方式,如果我们要想深入了解Java并发编程,就要先理解好Java内存模型。

    Java运行时数据区域

    众所周知,Java 虚拟机有自动内存管理机制,如果出现内存泄漏和溢出方面的问题,排查错误就必须要了解虚拟机是怎样使用内存的。

    下图是 JDK8 之后的 JVM 内存布局。

    图摘自《码出高效》

    JDK8 之前的内存区域图如下:

    在 HotSpot JVM 中,永久代中用于存放类和方法的元数据以及常量池,比如ClassMethod。每当一个类初次被加载的时候,它的元数据都会放到永久代中。
    永久代是有大小限制的,因此如果加载的类太多,很有可能导致永久代内存溢出,即万恶的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen ,为此我们不得不对虚拟机做调优。
    那么,Java 8 中 PermGen 为什么被移出 HotSpot JVM 了?我总结了两个主要原因:

    1. 由于 PermGen 内存经常会溢出,引发恼人的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen,因此 JVM 的开发者希望这一块内存可以更灵活地被管理,不要再经常出现这样的 OOM
    2. 移除 PermGen 可以促进 HotSpot JVM 与 JRockit VM 的融合,因为 JRockit 没有永久代。
      根据上面的各种原因,PermGen 最终被移除,方法区移至 Metaspace,字符串常量移至 Java Heap

    引用自https://www.sczyh30.com/posts/Java/jvm-metaspace/

    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。

    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)。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,是方法运行时的基础数据结构)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。

    在活动线程中,只有位千栈顶的帧才是有效的,称为当前栈帧。正在执行的方法称为当前方法,栈帧是方法运行的基本结构。在执行引擎运行时,所有指令都只能针对当前栈帧进行操作。

    操作栈的压栈与出栈-《码出高效》

    1. 局部变量表

    局部变量表是存放方法参数和局部变量的区域。 局部变量没有准备阶段, 必须显式初始化。如果是非静态方法,则在 index[0] 位置上存储的是方法所属对象的实例引用,一个引用变量占 4 个字节,随后存储的是参数和局部变量。字节码指令中的 STORE 指令就是将操作栈中计算完成的局部变呈写回局部变量表的存储空间内。

    虚拟机栈规定了两种异常状况: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(当前大部分的 Java 虚拟机都可动态扩展),如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

    2. 操作栈

    操作栈是个初始状态为空的桶式结构栈。在方法执行过程中, 会有各种指令往
    栈中写入和提取信息。JVM 的执行引擎是基于栈的执行引擎, 其中的栈指的就是操
    作栈。字节码指令集的定义都是基于栈类型的,栈的深度在方法元信息的 stack 属性中。

    i++ 和 ++i 的区别:

    1. i++:从局部变量表取出 i 并压入操作栈,然后对局部变量表中的 i 自增 1,将操作栈栈顶值取出使用,最后,使用栈顶值更新局部变量表,如此线程从操作栈读到的是自增之前的值。
    2. ++i:先对局部变量表的 i 自增 1,然后取出并压入操作栈,再将操作栈栈顶值取出使用,最后,使用栈顶值更新局部变量表,线程从操作栈读到的是自增之后的值。

    之前之所以说 i++ 不是原子操作,即使使用 volatile 修饰也不是线程安全,就是因为,可能 i 被从局部变量表(内存)取出,压入操作栈(寄存器),操作栈中自增,使用栈顶值更新局部变量表(寄存器更新写入内存),其中分为 3 步,volatile 保证可见性,保证每次从局部变量表读取的都是最新的值,但可能这 3 步可能被另一个线程的 3 步打断,产生数据互相覆盖问题,从而导致 i 的值比预期的小。

    3. 动态链接

    每个栈帧中包含一个在常量池中对当前方法的引用, 目的是支持方法调用过程的动态连接。

    4.方法返回地址

    方法执行时有两种退出情况:

    1. 正常退出,即正常执行到任何方法的返回字节码指令,如 RETURN、IRETURN、ARETURN 等;
    2. 异常退出。

    无论何种退出情况,都将返回至方法当前被调用的位置。方法退出的过程相当于弹出当前栈帧,退出可能有三种方式:

    1. 返回值压入上层调用栈帧。
    2. 异常信息抛给能够处理的栈帧。
    3. PC计数器指向方法调用后的下一条指令。

    本地方法栈

    本地方法栈(Native Method Stack)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。Sun HotSpot 虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

    线程开始调用本地方法时,会进入 个不再受 JVM 约束的世界。本地方法可以通过 JNI(Java Native Interface)来访问虚拟机运行时的数据区,甚至可以调用寄存器,具有和 JVM 相同的能力和权限。 当大量本地方法出现时,势必会削弱 JVM 对系统的控制力,因为它的出错信息都比较黑盒。对内存不足的情况,本地方法栈还是会抛出 nativeheapOutOfMemory。

    JNI 类本地方法最著名的应该是 System.currentTimeMillis() ,JNI使 Java 深度使用操作系统的特性功能,复用非 Java 代码。 但是在项目过程中, 如果大量使用其他语言来实现 JNI , 就会丧失跨平台特性。

    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,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

    堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做“GC堆”(Garbage Collected Heap)。从内存回收的角度来看,由于现在收集器基本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)。

    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,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)。如果在堆中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。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做 Non-Heap(非堆),目的应该是与 Java 堆区分开来。

    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。垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,其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需求时,将抛出 OutOfMemoryError 异常。

    JDK8 之前,Hotspot 中方法区的实现是永久代(Perm),JDK8 开始使用元空间(Metaspace),以前永久代所有内容的字符串常量移至堆内存,其他内容移至元空间,元空间直接在本地内存分配。

    为什么要使用元空间取代永久代的实现?

    1. 字符串存在永久代中,容易出现性能问题和内存溢出。
    2. 类及方法的信息等比较难确定其大小,因此对于永久代的大小指定比较困难,太小容易出现永久代溢出,太大则容易导致老年代溢出。
    3. 永久代会为 GC 带来不必要的复杂度,并且回收效率偏低。
    4. 将 HotSpot 与 JRockit 合二为一。

    运行时常量池

    运行时常量池(Runtime Constant Pool)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进入方法区的运行时常量池中存放。

    一般来说,除了保存 Class 文件中描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

    运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性,Java 语言并不要求常量一定只有编译期才能产生,也就是并非预置入 Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用得比较多的便是 String 类的 intern() 方法。

    既然运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

    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。

    在 JDK 1.4 中新加入了 NIO,引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的 I/O 方式,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。这样能在一些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。

    显然,本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制,但是,既然是内存,肯定还是会受到本机总内存(包括 RAM 以及 SWAP 区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时,会根据实际内存设置 -Xmx 等参数信息,但经常忽略直接内存,使得各个内存区域总和大于物理内存限制(包括物理的和操作系统级的限制),从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。

    Java线程与内存 -《码出高效》

    Java内存模型

    Java内存模型是共享内存的并发模型,线程之间主要通过读-写共享变量(堆内存中的实例域,静态域和数组元素)来完成隐式通信。

    Java 内存模型(JMM)控制 Java 线程之间的通信,决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。

    计算机高速缓存和缓存一致性

    计算机在高速的 CPU 和相对低速的存储设备之间使用高速缓存,作为内存和处理器之间的缓冲。将运算需要使用到的数据复制到缓存中,让运算能快速运行,当运算结束后再从缓存同步回内存之中。

    在多处理器的系统中(或者单处理器多核的系统),每个处理器内核都有自己的高速缓存,它们有共享同一主内存(Main Memory)。

    当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时,将可能导致各自的缓存数据不一致。

    为此,需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议,在读写时要根据协议进行操作,来维护缓存的一致性。

    图摘自51CTO技术栈 作者 陈彩华

    JVM主内存与工作内存

    Java 内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量(线程共享的变量)存储到内存和从内存中取出变量这样底层细节。

    Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中,每条线程还有自己的工作内存,线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量。

    这里的工作内存是 JMM 的一个抽象概念,也叫本地内存,其存储了该线程以读 / 写共享变量的副本。

    就像每个处理器内核拥有私有的高速缓存,JMM 中每个线程拥有私有的本地内存。

    不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间的通信一般有两种方式进行,一是通过消息传递,二是共享内存。Java 线程间的通信采用的是共享内存方式,线程、主内存和工作内存的交互关系如下图所示:

    这里所讲的主内存、工作内存与 Java 内存区域中的 Java 堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分,这两者基本上是没有关系的,如果两者一定要勉强对应起来,那从变量、主内存、工作内存的定义来看,主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分,而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。

    重排序和happens-before规则

    在执行程序时为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型:

    1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下,可以重新安排语句的执行顺序。
    2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术(Instruction-Level Parallelism, ILP)来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
    3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区,这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

    从 java 源代码到最终实际执行的指令序列,会分别经历下面三种重排序:

    JMM 属于语言级的内存模型,它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上,通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序,为程序员提供一致的内存可见性保证。

    java 编译器禁止处理器重排序是通过在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障(重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置)指令来实现的。

    happens-before

    从 JDK5 开始,java 内存模型提出了 happens-before 的概念,通过这个概念来阐述操作之间的内存可见性。

    如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作之间必须存在 happens-before 关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内,也可以是在不同线程之间。

    这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以立即得知的。

    如果 A happens-before B,那么 Java 内存模型将向程序员保证—— A 操作的结果将对 B 可见,且 A 的执行顺序排在 B 之前。

    重要的 happens-before 规则如下:

    1. 程序顺序规则:一个线程中的每个操作,happens- before 于该线程中的任意后续操作。
    2. 监视器锁规则:对一个监视器锁的解锁,happens- before 于随后对这个监视器锁的加锁。
    3. volatile 变量规则:对一个 volatile 域的写,happens- before 于任意后续对这个 volatile 域的读。
    4. 传递性:如果 A happens- before B,且 B happens- before C,那么 A happens- before C。

    下图是 happens-before 与 JMM 的关系

    图来自简书用户 你听___

    volatile关键字

    volatile 可以说是 JVM 提供的最轻量级的同步机制,当一个变量定义为volatile之后,它将具备两种特性:

    1. 保证此变量对所有线程的可见性。而普通变量不能做到这一点,普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。

    注意,volatile 虽然保证了可见性,但是 Java 里面的运算并非原子操作,导致 volatile 变量的运算在并发下一样是不安全的。而 synchronized 关键字则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得线程安全的。

    1. 禁止指令重排序优化。普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果,而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。

    最后,推荐与感谢:

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  • Java虚拟机在执行Java程序的过程中会将其管理的内存划分为若干个不同的数据区域,...Java虚拟机所管理的内存包括以下几个运行时数据区域,如图(图片引自网络): 1.1 程序计数器(Program Counter Register)

    转自:http://blog.csdn.net/nms312/article/details/37361121


    Java虚拟机在执行Java程序的过程中会将其管理的内存划分为若干个不同的数据区域,这些区域有各自的用途,及创建和销毁的时间,有些区域随虚拟机进程的启动而存在,有些区域则是依赖用户线程的启动和结束来建立和销毁。Java虚拟机所管理的内存包括以下几个运行时数据区域,如图(图片引自网络):

    1.1 程序计数器(Program Counter Register)

        程序计数器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。字节码解释器就是通过改变该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依赖计数器来完成。

        每一个JVM线程都有独立的程序计数器,各线程间的计数器互不影响,独立存储,确保线程切换后能够恢复到正确的执行位置。

        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,那计数器保存JVM正在执行的字节码指令的地址;如果该方法是Native,那PC寄存器的值为空(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。

    1.2 Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)

        Java虚拟机栈与程序计数器一样,也是线程私有的,其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。

        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)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会占用2个局部变量空间(Slot),其余数据类型只占用1个。局部变量表所需的空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,其需要在帧中分配多大的局部变量空间是确定的,方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

        Java虚拟机规范中对该区域规定了两种异常情况:

        1)如线程请求的深度大于虚拟机所允许的深度,抛出StackOverflowError异常。

        2)虚拟机栈动态扩展无法申请到足够的内存时,抛出OutOfMemoryError异常。

    1.3 本地方法栈(Native Method Stack)

        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)。本地方法栈与虚拟机栈非常类似,区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,二本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范对本地方法栈中的方法是用语言、使用方式与数据结构没强制规定,因此虚拟机可以自由实现,如Sun HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。       Java虚拟机规范中对该区域规定了两种异常情况:

        1)如线程请求的深度大于虚拟机所允许的深度,抛出StackOverflowError异常。

        2)虚拟机栈动态扩展无法申请到足够的内存时,抛出OutOfMemoryError异常。

    1.4 Java堆(Java Heap)

        Java堆是Java虚拟机管理内存中最大的一块,是所有线程共享的内存区域,随虚拟机的启动而创建。该区域唯一目的是存放对象实例,几乎所有对象的实例都在堆里面分配。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,被称作“GC堆”。

        Java虚拟机规范规定,Java堆可以出于物理上物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上连续即可,如同磁盘空间一样,既可以实现成固定大小,也可以是扩展的,当前主流虚拟机都是按照扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。

        Java虚拟机规范中对该区域规定了OutOfMemoryError异常:如果堆中没有内存完成实例分配,并且堆无法再扩展则抛出OutOfMemoryError异常。

    1.5 方法区(Method Area)

        方法区与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,用于存储一杯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。Java虚拟机对这个区域的限制非常宽松,处理和Java对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。

        Java虚拟机规范中对该区域规定了OutOfMemoryError异常: 如果方法区的内存空间不能满足内存分配请求,那Java虚拟机将抛出一个OutOfMemoryError异常。

    1.6 运行时常量池(Runtime Constant Pool)

        运行时常量池是方法区的一部分。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常量和符号引用,这部分内容在类加载后存放到方法区的常量池中。

        Java虚拟机规范中对该区域规定了OutOfMemoryError异常: 当常量池无法申请到内存时抛出OutOfMemoryError异常。

    1.7 直接内存

        直接内存并不是虚拟机运行时数据区域的一部分,也非Java虚拟规范中定义的内存区域,但这部分内存也被频繁使用,并且可能导致OutOfMemoryError异常出现。Java虚拟机需要根据实际内存的大小来设置-Xmx等参数信息,如果忽略了直接内存,使得各个内存区域的总和大于物理内存限制,从而导致动态扩展时抛出OutOfMemoryError异常。

    1.8 一句代码说明Java栈、Java堆和方法区三个最重要的内存区域之间的关联关系

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    1. <span style="font-size:14px;">Object obj = new Object();</span>  

    假设这句代码出现在方法体中:
    1)“Object obj”这部分的语义反映到Java栈的本地变量表中,作为一个reference类型数据出现。
    2)“new Object()”这个部分的语义反映到Java堆中,形成一块存储了Object类型所有实例数据值的结构化内存,以及查找到此对象类型的地址信息。
    3)Object类的类型数据(如对象类型、父类、接口的实现、方法等)存储在方法区中。


    ----参考文献:《深入理解Java虚拟机   JVM高级特性与最佳实践》    周志明   著

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  • java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的”高墙”,墙外面的人想进去,墙里面的人却想出来。 引用&lt;&lt;深入理解JAVA虚拟机第二版&gt;&gt; 周志明著 参考链接 ...
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