Java运行时数据区域划分

 

1、 概述

　　对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制下，不容易出现内存泄漏和内存溢出现象。但如果不了解虚拟机是如何使用内存的，一旦出现了内存泄漏和溢出方面的问题，那么排错就无从下手了。

 

2、 运行时数据区域

　　Java虚拟机在执行Java程序的过程中会将它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，如下图所示。

                            

 

2.1、 程序计数器

　　程序计数器(Program Counter Register)：是一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。（虚拟机的概念模型中，字节码解释器依靠程序计数器的值来选择下一条需要执行的字节码指令）

　　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，各线程之间计数器互不影响独立储存。由上图也可知程序计数器为线程隔离的数据区。

若线程执行Java方法： 程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。

若执行Native方法： 计数器值为空

 

2.2、 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，它的生命周期与线程相同。

　　Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行时都会创建一个栈帧（Stack Frame）。每个方法从调用直至执行完成的过程中，就对应一个栈帧从Java虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

　　栈帧（Stack Frame）:用于储存局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。

　　局部变量表：局部变量表中存放了编译器可知的各种基本数据类型（boolean,byte,int...etc）、对象引用和 returnAddress 类型。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，这个方法需要在栈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Java虚拟机栈区域规定了二种异常：

　　　若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。 　　　如果当前Java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。

 

2.3、 本地方法栈

　　本地方法栈（Native Method Stack）与Java虚拟机栈作用相似。Java虚拟机栈为Java方法（也就是字节码）服务。本地方法栈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、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。例如：Sun HotSpot虚拟机直接就把虚拟机栈与本地方法栈合二为一。

　　抛出的异常同Java虚拟机栈一样。

 

2.4、 Java堆

　　一般来说Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。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。

　　Java虚拟机规范对Java堆的描述是：

　　　所有的对象及数组都要在堆上分配内存（随着技术的发展这一点也不那么“绝对”了）。 　　　Java堆可以处在物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。

　　当前主流的虚拟机对Java堆都是按照可扩展来实现的，如果在堆中没有内存可供实例完成分配，并且堆也无法在扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

2.5、 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，用于储存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。

　　Java虚拟机规范对堆的描述为：

　　　方法区是堆的一个逻辑部分，有一个别名Non-Heap(非堆)，目的应该是与Java堆区分开来。 　　　方法区和堆一样不需要连续的内存和可扩展外，还可以不实现垃圾收集。

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

 

2.6、 运行时常量池

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

　　Class文件中包含了类的版本、字段、方法、接口等描述信息外还包含常量池（Costant Pool Table）——用来存放在编译期间生成的各种字面量和符号引用。这部分内容将在类加载后再进入方法区的运行时常量池中存放。

　　Java虚拟机对Class文件的每一部分（包括常量池）的格式都有严格的规定，必须符合规范才能被虚拟机认可、装载和执行。但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节要求，不同的虚拟机可以有不同的实现，但一般来说，除了保存Class文件中的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也保存在运行时常量池中。

　　运行时常量池相对于Class文件常量池来说具有一个重要特征——动态性，并非只有预置入Class文件常量池的内容才能进入运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入运行时常量池中。（这种特性运用比如String类的intern（）方法）

　　运行时常量池是方法区的一部分，所以受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时将抛出OutOfMemoryError异常。