Java虛擬機的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是怎樣的

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一：簡介

內(nèi)存(Memory)也被稱為內(nèi)存儲器，其作用是用于暫時存放CPU中的運算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲器交換的數(shù)據(jù)。只要計算機在運行中，CPU就會把需要運算的數(shù)據(jù)調(diào)到內(nèi)存中進行運算，當(dāng)運算完成后CPU再將結(jié)果傳送出來。

Java虛擬機在執(zhí)行Java程序過程中會把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。這些區(qū)域都有各自的用途，以及創(chuàng)建和銷毀的時間，有的區(qū)域隨著虛擬機進程的啟動而存在，有些區(qū)域則依賴用戶線程的啟動和結(jié)束而建立和銷毀。

進程：一段程序的執(zhí)行過程，是一個具有一定獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一次運行活動。它是操作系統(tǒng)動態(tài)執(zhí)行的基本單元，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，進程既是基本的分配單元，也是基本的執(zhí)行單元。

進程是一個實體。每一個進程都有它自己的地址空間，一般情況下，包括文本區(qū)域（text region）、數(shù)據(jù)區(qū)域（data region）和堆棧（stack region）。文本區(qū)域存儲處理器執(zhí)行的代碼；數(shù)據(jù)區(qū)域存儲變量和進程執(zhí)行期間使用的動態(tài)分配的內(nèi)存；堆棧區(qū)域存儲著活動過程調(diào)用的指令和本地變量。第二，進程是一個“執(zhí)行中的程序”。程序是一個沒有生命的實體，只有處理器賦予程序生命時，它才能成為一個活動的實體，我們稱其為進程。

進程有三個狀態(tài)，就緒、運行和阻塞。就緒狀態(tài)其實就是獲取了出cpu外的所有資源，只要處理器分配資源就可以馬上執(zhí)行。就緒狀態(tài)有排隊序列什么的，排隊原則不再贅述。運行態(tài)就是獲得了處理器分配的資源，程序開始執(zhí)行。阻塞態(tài)，當(dāng)程序條件不夠時候，需要等待條件滿足時候才能執(zhí)行，如等待i/o操作時候，此刻的狀態(tài)就叫阻塞態(tài)。

線程：通常在一個進程中可以包含若干個線程，當(dāng)然一個進程中至少有一個線程，不然沒有存在的意義。線程可以利用進程所擁有的資源，在引入線程的操作系統(tǒng)中，通常都是把進程作為分配資源的基本單位，而把線程作為獨立運行和獨立調(diào)度的基本單位，由于線程比進程更小，基本上不擁有系統(tǒng)資源，故對它的調(diào)度所付出的開銷就會小得多，能更高效的提高系統(tǒng)多個程序間并發(fā)執(zhí)行的程度。

進程和線程的主要差別：在于它們是不同的操作系統(tǒng)資源管理方式。進程有獨立的地址空間，一個進程崩潰后，在保護模式下不會對其它進程產(chǎn)生影響，而線程只是一個進程中的不同執(zhí)行路徑。線程有自己的堆棧和局部變量，但線程之間沒有單獨的地址空間，一個線程死掉就等于整個進程死掉，所以多進程的程序要比多線程的程序健壯，但在進程切換時，耗費資源較大，效率要差一些

Java虛擬機的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是怎樣的

二：程序計數(shù)器

  1. 程序計數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，它可以看作是當(dāng)前線程執(zhí)行的字節(jié)碼行號的指示器。

  2. 字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令；分支，循環(huán)，跳轉(zhuǎn)，異常處理，線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成

  3. 當(dāng)線程獲得時間片處于執(zhí)行過程時，CPU會按照程序計數(shù)器中存儲的內(nèi)容依次的取出指令執(zhí)行，當(dāng)CPU取出當(dāng)前指令時，CPU自動修改程序計數(shù)器內(nèi)容，使其指向下一條指令字節(jié)碼行號。由于程序計數(shù)器中存儲的是數(shù)字值，因此不會隨著程序運行而擴大需求空間，故不會發(fā)生溢出。

  4. 假設(shè)線程A正在執(zhí)行，當(dāng)執(zhí)行到某個階段，優(yōu)先級更高線程B執(zhí)行。此時，線程A掛起，線程B執(zhí)行。當(dāng)線程B執(zhí)行完畢后，需要喚醒線程A繼續(xù)執(zhí)行，那么如何從線程A的中斷位置繼續(xù)執(zhí)行呢，那就需要CPU訪問線程A的程序計數(shù)器，從中獲取下一條執(zhí)行指令，保證程序繼續(xù)執(zhí)行。由于每個線程需要保存自身的執(zhí)行位置，也就使得程序計數(shù)器為線程私有。

  5. native本地方法大多是通過C實現(xiàn)并未編譯成需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，所以在計數(shù)器中是undefined

  6. 這個內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在java虛擬界規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError的情況的區(qū)域。

三：Java虛擬機棧

  1. 它是一個后入先出的棧，其中保存的元素是棧幀 。它也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。

  2. 程序運行時，每調(diào)用一個方法就會生成一個棧幀，同時將當(dāng)前正在執(zhí)行方法的棧幀壓入虛擬機棧。虛擬機棧頂?shù)臈瑸椤爱?dāng)前活躍棧幀”。既然棧幀是調(diào)用方法時創(chuàng)建，那么其保存內(nèi)容必然與方法息息相關(guān)。

    局部變量表：局部變量表是一組局部變量值存儲空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量。局部變量表存放了編譯器可知的各種基本數(shù)據(jù)類型，對象引用和returnAddress類型。局部變量表的內(nèi)存是在編譯期間完成分配，當(dāng)進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

操作數(shù)棧：操作數(shù)棧是一個以字長為單位的數(shù)組。但它不是通過索引來訪問，而是通過標(biāo)準(zhǔn)的棧操作—壓棧和出?！獊碓L問的。比如，如果某個指令A(yù)把一個值1壓入到操作數(shù)棧中，指令B將值2壓入棧中，稍后指令C就可以彈出這兩個個值來進行相加計算，并將結(jié)果3壓入棧中。通過操作數(shù)?？梢酝瓿煞椒ㄖ械囊恍┻\算。

動態(tài)鏈接：每個棧幀內(nèi)部都包含一個指向當(dāng)前方法所在類型的運行時常量池的引用，以便對當(dāng)前方法的代碼實現(xiàn)動態(tài)鏈接。在class文件里面，一個方法如果要調(diào)用另外一個方法，或者訪問其成員變量，則需要通過符號引用來表示，那么動態(tài)鏈接的作用就是在恰當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑦@些以符號引用所表示的方法或是變量解析成直接引用。

返回地址：一般來說，方法正常退出時，調(diào)用者PC計數(shù)器的值就可以作為返回地址，棧幀中很可能會保存這個計數(shù)器值。而方法異常退出時，返回地址是要通過異常處理器來確定的，棧幀中一般不會保存這部分信息。 方法退出的過程實際上等同于把當(dāng)前棧幀出棧，因此退出時可能執(zhí)行的操作有：恢復(fù)上層方法的局部變量表和操作數(shù)棧，把返回值(如果有的話)壓入調(diào)用棧幀的操作數(shù)棧中，調(diào)用PC計數(shù)器的值以指向方法調(diào)用指令后面的一條指令等。

其他信息：虛擬機規(guī)范允許具體的虛擬機實現(xiàn)增加一些規(guī)范里沒有描述的信息到棧幀中，例如與高度相關(guān)的信息，這部分信息完全取決于具體的虛擬機實現(xiàn)。

3.如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常； 如果虛擬機?？梢詣討B(tài)擴展，如果擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存，就會拋出OutOfMemoryError異常。

四：本地方法棧

  1. 本地方法棧與虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，它們之間的區(qū)別不過是虛擬機棧是為虛擬機執(zhí)行Java方法服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機使用到的Native方法服務(wù)。

  2. 本地方法棧區(qū)域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

五：Java堆

  1. Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內(nèi)存。

  2. Java堆一般分為三大部分：新生代，老年代和永久代

新生代：主要是用來存放新生的對象。一般占據(jù)堆的1/3空間。由于頻繁創(chuàng)建對象，所以新生代會頻繁觸發(fā)MinorGC進行垃圾回收。

老年代：主要存放應(yīng)用程序中生命周期長的內(nèi)存對象。老年代的對象比較穩(wěn)定，所以MajorGC不會頻繁執(zhí)行。在進行MajorGC前一般都先進行了一次MinorGC，使得有新生代的對象晉身入老年代，導(dǎo)致空間不夠用時才觸發(fā)。當(dāng)無法找到足夠大的連續(xù)空間分配給新創(chuàng)建的較大對象時也會提前觸發(fā)一次MajorGC進行垃圾回收騰出空間。

永久代：指內(nèi)存的永久保存區(qū)域，主要存放Class和Meta（元數(shù)據(jù)）的信息,Class在被加載的時候被放入永久區(qū)域. 它和和存放實例的區(qū)域不同,GC不會在主程序運行期對永久區(qū)域進行清理。所以這也導(dǎo)致了永久代的區(qū)域會隨著加載的Class的增多而脹滿，最終拋出OOM異常。

  1. Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域。

  2. Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可。

  3. 可以通過-Xmx和-Xms來擴展，如果無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常

六：方法區(qū)

  1. 方法區(qū)與Java堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲已被虛擬機加載的類信息，常量，靜態(tài)變量，即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

  2. 當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常

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