JVM學習筆記：Java運行時資料區域

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JVM執行Java程式的過程中，會使用到各種資料區域，這些地區有各自的用途、建立和銷毀時間。根據《Java虛擬機器規範》，JVM包括下列幾個運行時資料區域，如所示：

其中紅色部分是線程私人的，即每個線程各自都有自己的一份。綠色部分是各個線程共用的。

1.PC寄存器（The pc Register）

（1）每一個Java線程都有一個PC寄存器。

（2）PC寄存器是用於儲存每個線程下一步將執行的JVM指令，如該方法為native的，則PC寄存器中不儲存任何資訊。

（3）此記憶體地區是唯一一個在JVM Spec中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的地區。

2.JVM棧（Java Virtual Machine Stacks）

（1）JVM棧是線程私人的，每個線程建立的同時都會建立JVM棧，與程PC寄存器一樣，JVM棧的生命週期也是與線程相同。

（2）JVM棧中存放的為當前線程中局部基本類型的變數（Java中定義的八種基本類型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回結果以及Stack Frame，非基本類型的對象在JVM棧上僅存放一個指向堆上的地址。

（3）在JVM Spec中對這個地區規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大於虛擬機器所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果JVM棧可以動態擴充（JVM Spec中允許固定長度的JVM棧），當擴充時無法申請到足夠記憶體則拋出OutOfMemoryError異常。

（4）由於JVM棧是線程私人的，因此其在記憶體配置上非常高效，並且當線程運行完畢後，這些記憶體也就被自動回收。

3.本地方法棧（Native Method Stacks）

（1）本地方法棧與JVM棧所發揮作用是類似的，只不過JVM棧為虛擬機器運行JVM原語服務，而本地方法棧是為虛擬機器使用到的Native方法服務。它的實現的語言、方式與結構並沒有強制規定，甚至有的虛擬機器（譬如Sun Hotspot虛擬機器）直接就把本地方法棧和JVM棧合二為一。

（2）和JVM棧一樣，這個地區也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

4.方法區（Method Area）

（1）別名叫做Non-Heap（非堆）。

（2）方法地區存放了所載入的類的資訊（名稱、修飾符等）、類中的靜態變數、類中定義為final類型的常量、類中的Field資訊、類中的方法資訊，當開發人員在程式中通過Class對象中的getName、isInterface等方法來擷取資訊時，這些資料都來源於方法地區。

（3）方法地區是全域共用的，在一定的條件下它也會被GC，當方法地區需要使用的記憶體超過其允許的大小時，會拋出OutOfMemory的錯誤資訊。

（4）在Sun JDK中這塊地區對應的為Permanet Generation，又稱為永久代，預設為64M，可通過-XX:PermSize以及-XX:MaxPermSize來指定其大小。

5.運行時常量池（Runtime Constant Pool）

（1）類似C中的符號表，存放的為類中的固定的常量資訊、方法和Field的引用資訊等，其空間從方法地區中分配。

（2）Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述等資訊外，還有一項資訊是常量表(constant_pool table)，用於存放編譯期已可知的常量，這部分內容將在類載入後進入方法區（永久代）存放。但是Java語言並不要求常量一定只有編譯期預置入Class的常量表的內容才能進入方法區常量池，運行期間也可將新內容放入常量池（最典型的String.intern()方法）。

（3）運行時常量池是方法區的一部分，自然受到方法區記憶體的限制，當常量池無法在申請到記憶體時會拋出OutOfMemoryError異常。

 

6.Java堆（Java Heap）

Java堆是被所有線程共用的，在虛擬機器啟動時建立。它是JVM用來儲存物件執行個體以及數組值的地區，絕大部分的對象執行個體都在這裡分配。在逃逸分析和標量替換最佳化技術出現後，並不是所有的對象執行個體都是在這裡分配，但我們可以粗略地認為Java中所有通過new建立的對象的記憶體都在此分配。Heap中的對象的記憶體需要等待GC進行回收。

 

大小通過-Xms和-Xmx來控制，-Xms為JVM啟動時申請的最小Heap記憶體（預設為實體記憶體的1/64但小於1G），-Xmx為JVM可申請的最大Heap記憶體（預設為實體記憶體的1/4）。預設當空餘堆記憶體小於40%時，JVM會增大Heap的大小到-Xmx指定的大小，可通過-XX：MinHeapFreeRatio=來指定這個比例。 預設當空餘堆記憶體大於70%時，JVM會將Heap的大小往-Xms指定的大小調整，可通過-XX：MaxHeapFreeRatio=來指定這個比例。但對於運行系統而言，為了避免頻繁的Heap Size的調整，通常都會將-Xms和-Xmx的值設成一樣，因此這兩個用於調整比例的參數通常是沒用的。

 

JVM將Heap分為New Generation和Old Generation（或Tenured Generation）兩塊來進行管理：

（1）New Generation

又稱為新生代，程式中建立的對象都將分配到新生代中，新生代又由Eden Space和兩塊Survivor Space構成，可通過-Xmn參數來指定其大小。發生在新生代的垃圾收集動作稱為Minor GC。

（2）Old Generation

又稱為舊生代（老年代），用於存放程式中經過幾次記憶體回收還存活的對象，例如緩衝的對象等，舊生代所佔用的記憶體大小即為-Xmx指定的大小減去-Xmn指定的大小。發生在老年代的垃圾收集動作成為Major GC/Full GC。

（3）記憶體配置策略

a. 對象優先在Eden分配。b. 大對象直接進入老年代。c. 長期存活的對象將進入老年代。

對堆的解釋：

1）堆是JVM中所有線程共用的，因此在其上進行對象記憶體的分配均需要進行加鎖，這也導致了new對象的開銷是比較大的。

2）鑒於上面的原因，Sun Hotspot JVM為了提升對象記憶體配置的效率，對於所建立的線程都會分配一塊獨立的空間，這塊空間又稱為TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根據啟動並執行情況計算而得，在TLAB上指派至時不需要加鎖，因此JVM在給線程的對象分配記憶體時會盡量的在TLAB上分配，在這種情況下JVM中指派至記憶體的效能和C基本是一樣高效的，但如果對象過大的話則仍然是直接使用堆空間分配。

3）TLAB僅作用於新生代的Eden Space，因此在編寫Java程式時，通常多個小的對象比大的對象分配起來更加高效，但這種方法同時也帶來了兩個問題，一是空間的浪費，二是對象記憶體的回收上仍然沒法做到像Stack那麼高效，同時也會增加回收時的資源的消耗，可通過在啟動參數上增加-XX:+PrintTLAB來查看TLAB這塊的使用方式。

 

參考資料

《深入java虛擬機器：VM進階特性與最佳實務》

JVM記憶體管理：深入Java記憶體地區與OOM http://icyfenix.iteye.com/blog/802573

http://itindex.net/detail/48698-jvm-%E5%86%85%E5%AD%98

深入理解JVM—JVM記憶體模型  http://yhjhappy234.blog.163.com/blog/static/316328322011101723933875/?suggestedreading&wumii

《The Java® Virtual Machine Specification》 http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html

 

 

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