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运行时数据区

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架构

区域共享性
程序计数器线程私有
Java虚拟机栈线程私有
本地方法栈线程私有
Java堆线程共享
方法区线程共享

程序计数器

程序计数器是一块内存较小的空间，记录当前线程当前正在执行的字节码指令地址。执行本地方法时，程序计数器的值为空（Undefined）。
程序计数器是唯一没有OutOfMemoryError (OOM)的区域，因为大小是固定的。

Java虚拟机栈

Java 虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型。
栈的单位是栈帧：每个方法执行时都会创建一个栈帧，从方法调用到执行完毕对应着栈帧入栈到出栈的过程。
栈帧的结构：

  1. 局部变量表：存放方法参数和方法内定义的局部变量（包括基本数据类型、对象引用和returnAddress等）。最小单位是变量槽。
  2. 操作数栈：后进先出栈，方法的执行计算过程中的临时数据存储区。
  3. 动态链接：栈帧保存了当前方法所属类的运行时常量池引用，用于支持动态链接。
  4. 方法返回地址：方法执行完毕退出后：
    1. 正常返回：有返回值则把返回值压入调用者的操作数栈，将PC恢复为调用指令的下一条指令地址，继续执行下一条指令。
    2. 异常返回：查找匹配的异常处理器，没有找到就向上传播，最终仍未处理则导致线程终止。
      相关参数配置：
  • -Xss：设置每个线程的栈内存大小。例：-Xss1m。
    相关异常：
  • StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度（如无限递归）。
  • OutOfMemoryError：
    • 虚拟机栈允许动态扩容：虚拟机栈尝试扩容时无法申请到足够的内存。
    • 虚拟机栈不允许动态扩容（如Hotspot）：虚拟机无法申请到足够的内存创建新的线程。

本地方法栈

与Java虚拟机栈类似，但本地方法栈描述的是本地方法执行的内存模型。
相关异常：

  • StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度（如无限递归）。
  • OutOfMemoryError：
    • 虚拟机栈允许动态扩容（Hotspot不允许）：虚拟机栈尝试扩容时无法申请到足够的内存。
    • 虚拟机无法申请到足够的内存创建新的线程。

Java堆

JVM中最大的一块内存区域，在JVM启动时创建，用于存放对象实例。几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。
根据生命周期的不同，可以将堆划分为新生代和老生代，默认比例为1：2。

新生代

新生代内部又可以划分三个区域：

  • Eden：对象最初分配的地方。
  • Survivor 0 (S0、From)：垃圾回收后存活的对象的区域。
  • Survivor 1 (S1、To)：同S0。
    默认比例为8：1：1，原因：每次只使用一个Eden和一个Survivor区（90%），另一个Survivor区用作复制区域，内存浪费率只有10%（如果存活率大于10%，老年代进行空间分配担保，放不下的存活对象会放到老年代中）。
    相关参数配置：
  • -Xms：初始堆大小。例：-Xms1g。
  • -Xmx：最大堆大小。例：-Xmx1g。
    相关异常：
  • OutOfMemoryError: Java heap space：堆内存耗尽且Full GC后内存仍不足以创建新的对象。

方法区

方法区是JVM的规范，用于存储已经被虚拟机加载的类型信息、常量、类静态变量等。永久代和元空间是方法区的两种不同实现。

永久代（PermGen）

JDK7以及之前，HotSpot方法区的实现为永久代，是堆外的一块内存，受限于-XX:MaxPermSize。
相关参数配置：

  • -XX:PermSize：永久代初始大小。
  • -XX:MaxPermSize：最大永久代大小。

元空间（Metaspace）

JDK8以及之后，彻底移除了永久代，改用元空间实现。
元空间不在虚拟机内存中，而是直接使用本地内存，内存受限于系统物理内存和MaxMetaspaceSize。
相关参数配置：

  • -XX:MaxMetaspaceSize：最大元空间大小。

运行时常量池

方法区的一部分。JVM加载一个类后会将Class文件中的常量池加载到运行时常量池中。

字符串常量池

  • JDK 6及之前：在永久代的字符串常量池中。
  • JDK 7：移到了 Java 堆中。
  • JDK 8及之后：仍然在 Java 堆中，元空间只保留类的元数据信息。

类静态变量

  • JDK 6及之前：在永久代中。
  • JDK 7：移到了 Java 堆中。
  • JDK 8及之后：仍然在 Java 堆中，元空间只保留类的元数据信息。

本地内存

本地内存是直接向操作系统申请的一块连续内存区域，不受JVM堆大小限制。

直接内存

直接内存指由Java NIO（如 ByteBuffer.allocateDirect()等）申请的直接缓冲区。
DirectByteBuffer引用堆外的直接缓冲区，避免了数据在JVM堆和内核缓冲区之间的二次拷贝（零拷贝），极大提升了网络和磁盘的I/O效率。
NIO相关结构：

  • 栈：方法栈帧中的局部变量，持有DirectByteBuffer的引用。
  • 堆：DirectByteBuffer的实例对象（包含内存地址address、容量 capacity和Cleaner虚引用对象）。
  • 本地内存：通过操作系统malloc直接分配的连续内存块。
    回收机制：直接内存不由JVM GC直接管理。当DirectByteBuffer被GC回收时，内部的Cleaner虚引用对象会触发Unsafe.freeMemory()，释放相关的直接内存。
    相关参数配置：
  • -XX:MaxDirectMemorySize：最大直接内存大小。
    相关异常：
  • OutOfMemoryError: Direct buffer memory：直接内存耗尽，不足以创建新的缓冲区。

JIT 代码缓存（Code Cache）

JIT将热点方法的字节码编译为机器码，存放在本地内存中专用的Code Cache区域。