Java运行时数据区详解

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.根据 <<java虚拟机规范>> 中的规定,将内存区域划分为 程序计数器(Program Counter Register),虚拟机栈(VM Stack),本地方法栈(Native Method Stack),方法区(Method Area)和堆(Heap)五大区域.

运行时内存区域

程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器是一块很小的内存区域,可以当成当前线程所执行的字节码的行号指示器.java解释器通过改变计数器值来选取下一条指令.分治,循环,跳转,异常处理,线程恢复等需要依赖计数器完成

特点:

1. 每一个线程都有一个独立的程序计数器,互不影响.(线程私有)
2. 线程执行Java方法,计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址.
3. 线程执行Native方法,计数器则为空.
4. 唯一一个没有定义 OutOfMemoryError的区域.

虚拟机栈(VM Stack)

虚拟机栈它的栈元素是一种叫做栈帧(Stack Frame)的结构.每一个栈帧都包括了 局部变量表(Local Variable Table),操作数栈(Operand Stack),动态链接(Dynamic Linking),方法返回地址(Return Address)和一些额外信息.
栈帧是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构,每一个方法从调用开始至执行完成的过程,都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程.

栈帧结构

特点:

1. Java虚拟机栈是线程私有的,生命周期与线程一致
2. 局部变量表所需的内存空间在编译期间确定,并完成分配.
3. 在方法运行期间不会改变局部变量表的大小.
4. 如果请求的栈深度大于虚拟机允许的深度,抛出StackOverflowError.
5. 虚拟机栈扩展时无法申请足够的内存,抛出OutOfMemoryError

本地方法栈(Native Method Stack)

功能与虚拟机栈类似,java线程在调用本地方法时，该区用来存储本地方法的局部变量表，本地方法的操作数栈等等信息.区别在于虚拟机栈执行的是java方法,
本地方法栈执行的是native方法(c/c++方法).

java是高级编程语言，当对一些底层的如操作系统或某些硬件交换信息时，我们使用java来编程实现起来不容易，再者使用java来编程效率也很低下.这时候就可以通过 JNI方式来调用 native方法来实现.

本地方法栈与java栈

如果,展示了java与native方法交互的过程,java方法中调用了C语言方法,产生在本地方法栈中产生一个本地栈帧,这个C语言方法调用了另一个C语言方法,并且把结果回调回java方法中.

一个线程可能在整个生命周期中都执行Java方法，操作他的Java栈；或者他可能毫无障碍地在Java栈和本地方法栈之间跳转。

特点 :

1. 线程私有,生命周期与线程一致
2. 调用的是 c/c++方法(一般用于底层交互,或者性能优化)
3. 可抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError

java堆(Heap)

java虚拟机中最大的内存区域,几乎所有类实例和数组的内存均从此处分配。

1. 线程共享
2. 在 Java 虚拟机启动时创建的
3. GC管理的主要区域
4. 可位于物理内存不连续的空间.
5. 可以是固定大小的,也可以是可扩展的.
6. 在没有内存空间并且无法扩展时,抛出OutOfMemoryError

hotspot中的实现

在hotspot虚拟机中,从内存回收的角度来看是采用 分代收集策略.将堆划分为两个不同的区域:
新生代(Young Gen)和老年代(Old Gen).

堆的空间大小 = 新生代 + 老年代; 默认情况下,新生代和老年代的比例是 1:2;

新生代又被划分为Eden,From Survivor和To Survivor三个区域;大小比例为 8:1:1
由于新生代采用复制算法来管理空间,因此,无论什么时候，总是有一块 Survivor 区域是空闲着的。
新生代实际可用的内存空间为90%的新生代空间。

方法区(Mthod Area)

方法区中,存储着已加载的类信息,常量,静态变量,即时编译后的代码等数据.
其中类相关的信息,如类名,访问修饰符,常量池,字段描述,方法描述等.
方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫“非堆”。
方法区的数据是线程共享的.

为何叫方法区? 方法区中除了包括“已加载的类的基本信息、常量、静态变量等”外，还包括编译器编译后的代码，而且这应该是方法区中主要的一部分，这可能是为何把这部分内存成为方法区的原因.

注释 : 类的对象和实例对象存放在 java堆中, 类的元数据存放在 方法区中.

不同jdk(hotspot)版本,方法区数据的变化

JDK 1.6以及之前,方法区的实现为 永久代(Permanent Gen)的方式,目的是为了垃圾收集器能像管理java堆一样管理这部分内存.垃圾回收目标是针对常量池的回收和对类型的卸载.

JDK 1.7中，存储在永久代的部分数据就已经转移到Java Heap或者Native Heap。但永久代仍存在于JDK 1.7中，并没有完全移除，如符号引用(Symbols)转移到了native heap；字面量(interned strings)转移到了Java heap；类的静态变量(class statics)存放于定义类型的class对象中,存放在Java heap中.

JDK 1.8中, 完全移除了永久代,取而代之的实现方式成为元空间(Metaspace),将类元数据放到本地内存中，将字符常量池和静态变量放到Java堆里。虚拟机会为类的元数据明确分配和释放本地内存。

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间的最大区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

Native memory：本地内存，也称为C-Heap，是供JVM自身进程使用的。当Java Heap空间不足时会触发GC，但Native memory空间不够却不会触发GC。即GC不管理元空间(Metaspace)的内存.

为什么移除永久代？

1. 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
2. 永久代大小不容易确定，PermSize指定太小容易造成永久代OOM
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. Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。

参考

• 深入理解java虚拟机_第二版(周志明)
• 图解JVM字节码执行引擎之栈帧结构
• Java8内存模型
• Java —— 运行时栈帧结构