Loading...
墨滴

楼仔

2021/09/13  阅读:47  主题:橙心

【JVM系列2】运行时数据区域

主要讲述Java运行时的时区,包括Java堆、虚拟机栈、本地方法栈、方法区和程序计数器相关内容。

前言

上一篇文章《【JVM系列1】JVM内存结构》已经讲述了JVM的内存结构,其实这个讲解的并不全,只讲解了Java堆的部分,现在将其它部分也进行补充。

运行时数据区域

什么是运行时数据区域?

Java程序在运行时,会为JVM单独划出一块内存区域,而这块内存区域又可以再次划分出一块运行时数据区,运行时数据区域大致可以分为五个部分:

Java堆(Heap)

很多做开发的同学,会格外关注堆和栈,这是不是就从另一个角度说明了堆和栈的重要性?

一句话便是:栈管运行,堆管存储。则虚拟机栈负责运行代码,而虚拟机堆负责存储数据。

先把干货放上来,首先,Java堆区具有下面几个特点:

  • 存储的是我们new来的对象,不存放基本类型和对象引用。
  • 由于创建了大量的对象,垃圾回收器主要工作在这块区域。
  • 线程共享区域,因此是线程不安全的。
  • 能够发生OutOfMemoryError。

其实,Java堆区还可以划分为新生代和老年代,新生代又可以进一步划分为Eden区、Survivor 1区、Survivor 2区。具体比例参数的话,可以看一下这张图。

具体可以参考《【JVM系列1】JVM内存结构》

虚拟机栈(JVM Stacks)

Java虚拟机栈也是一块被开发者重点关注的地方,同样,先把干货放上来:

  • Java虚拟机栈是线程私有的,每一个线程都有独享一个虚拟机栈,它的生命周期与线程相同。
  • 虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
  • 存放基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)以及对象的引用(reference类型,它不等同于对象本身,根据不同的虚拟机实现,它可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。
  • 这个区域可能有两种异常:如果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;如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展,只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈),当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈(Native Method Stacks)

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与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。甚至有的虚拟机(譬如Sun HotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

什么是Native Method?简单地讲,一个Native Method就是一个java调用非java代码的接口。一个Native Method是这样一个java的方法:该方法的实现由非java语言实现,比如C。这个特征并非java所特有,很多其它的编程语言都有这一机制,比如在C++中,你可以用extern "C"告知C++编译器去调用一个C的函数。

方法区(Method Area)

方法区也是一块被重点关注的区域,主要特点如下:

  • 线程共享区域,因此这是线程不安全的区域。
  • 它用于存储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。
  • 当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的应该是与Java堆区分开来。对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说,很多人愿意把方法区称为“永久代”(Permanent Generation),本质上两者并不等价,那么他们之间的区别到底是什么?方法区是Java虚拟机规范中的定义,是一种规范,而永久代是一种实现,一个是标准一个是实现。不过Java 8以后就没有永久代这个说法了,元空间取代了永久代。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松,除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外,还可以选择不实现垃圾收集。相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载,一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻,但是这部分区域的回收确实是有必要的。

程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器非常简单,想必大家都不是Java的初学者了,也都应该明白一点线程与进程的概念?(灵魂拷问,你明白么?)不明白没关系,我一句话给你讲清楚。

进程是资源分配的最小单位,线程是CPU调度的最小单位,一个进程可以包含多个线程, Java线程通过抢占的方法获得CPU的执行权。现在可以思考下面这个场景。

某一次,线程A获得CPU的执行权,开始执行内部程序。但是线程A的程序还没有执行完,在某一时刻CPU的执行权被另一个线程B抢走了。后来经过线程A的不懈努力,又抢回了CPU的执行权,那么线程A的程序又要从头开始执行?

这个时候程序计数器就粉墨登场了,它的作用就是记录当前线程所执行的位置。 这样,当线程重新获得CPU的执行权的时候,就直接从记录的位置开始执行,分支、循环、跳转、异常处理也都依赖这个程序计数器来完成。此外,程序计数器还具有以下特点:

  • 线程私有,每一个线程都有一个程序计数器,因此它是线程安全的。
  • 唯一一块不存在OutOfMemoryError的区域,可能是设计者觉得没必要。

代码示例分析

对于Java堆、方法区、线程独享区域(主要是虚拟机栈),方法的执行都是伴随着线程的,原始类型的本地变量以及引用都存放在线程栈中,而引用关联的对象比如String,都存在在堆中。

为了更好的理解上面这幅图,我们可以看一个例子:

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.logging.Logger;
public class HelloWorld {
    private static Logger LOGGER = Logger.getLogger(HelloWorld.class.getName());
    public void sayHello(String message) {
        SimpleDateFormat formatter =  new SimpleDateFormat("dd.MM.YYYY");
        String today = formatter.format(new Date());
        LOGGER.info(today + ":" + message);
    }
}

我们先回顾一下前面学习的知识:

  • 堆存储的是我们new来的对象,不存放基本类型和对象引用;
  • 栈存储存放基本数据类型、对象的引用和returnAddress类型;
  • 方法区存储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。

这段程序的数据在内存中的存放如下:

可以看出数据进行如下存放:

  • Java堆:对象HelloWorld、对象SimpleDateFormat、对象String和对象LOGGER;
  • 线程独享区域(主要是虚拟机栈):message的引用、formatter的引用、today的引用;
  • 方法区:类信息SimpleDateFormat、类信息Logger、类信息HelloWorld、方法sayHello(),还包括类信息的所有方法。

这个static Logger LOGGER,因为是静态变量,是不是应该属于方法区?

欢迎大家多多点赞,更多文章,请关注微信公众号“楼仔进阶之路”,点关注,不迷路~~

楼仔

2021/09/13  阅读:47  主题:橙心

作者介绍

楼仔