淺析JVM記憶體結構和6大區域

其實對于我們一般了解的計算機記憶體，它算是CPU與計算機打交道最頻繁的區域，所有資料都是先經過硬碟至記憶體，然後由CPU再從記憶體中擷取資料進行處理，又将資料儲存到記憶體，通過分頁或分片技術将記憶體中的資料再flush至硬碟。那JVM的記憶體結構到底是如何呢？JVM做為一個運作在作業系統上，但又獨立于os運作的平台，它的記憶體至少應該包括象寄存器、堆棧等區域。

JVM在運作時将資料劃分為了6個區域來存儲，而不僅僅是大家熟知的Heap區域，這6個區域圖示如下：

JVM記憶體的配置設定結構示意圖

下面将逐一介紹下各個區域所做的工作及其充當的功能。

PC Register(PC寄存器)

PC寄存器是一塊很小的記憶體區域，主要作用是記錄目前線程所執行的位元組碼的行号。位元組碼解釋器工作時就是通過改變目前線程的程式計數器選取下一條位元組碼指令來工作的。任何分支，循環，方法調用，判斷，異常處理，線程等待以及恢複線程，遞歸等等都是通過這個計數器來完成的。

由于Java多線程是通過交替線程輪流切換并配置設定處理器時間的方式來實作的，在任何一個确定的時間裡，在處理器的一個核心隻會執行一條線程中的指令。是以為了線程等待結束需要恢複到正确的位置執行，每條線程都會有一個獨立的程式計數器來記錄目前指令的行号。計數器之間互相獨立互不影響，我們稱這塊記憶體為“線程私有”的記憶體。

如果所調用的方法為native的，則PC寄存器中不存儲任何資訊。

l  JVM棧

JVM棧是線程私有的，每個線程建立的同時都會建立JVM棧，JVM棧中存放的為目前線程中局部基本類型的變量（java中定義的八種基本類型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的傳回結果以及Stack Frame，非基本類型的對象在JVM棧上僅存放一個指向堆上的位址，是以Java中基本類型的變量是值傳遞，而非基本類型的變量是引用傳遞，Sun           JDK的實作中JVM棧的空間是在實體記憶體上配置設定的，而不是從堆上配置設定。

由于JVM棧是線程私有的，是以其在記憶體配置設定上非常高效，并且當線程運作完畢後，這些記憶體也就被自動回收。

當JVM棧的空間不足時，會抛出StackOverflowError的錯誤，在Sun JDK中可以通過-Xss來指定棧的大小，例如如下代碼：

當JVM參數設定為-Xss1K，運作後會報出類似下面的錯誤：

Exception in thread "Thread-0"java.lang.StackOverflowError

l  堆（Heap）

Heap是大家最為熟悉的區域，它是JVM用來存儲對象執行個體以及數組值的區域，可以認為Java中所有通過new建立的對象的記憶體都在此配置設定，Heap中的對象的記憶體需要等待GC進行回收，Heap在32位的作業系統上最大為2G，在64位的作業系統上則沒有限制，其大小通過-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但小于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于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，當空餘堆記憶體大于70%時，JVM會将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，但對于運作系統而言，為了避免頻繁的Heap Size的大小，通常都會将-Xms和-Xmx的值設成一樣，是以這兩個用于調整比例的參數通常是沒用的。其實jvm中對于堆記憶體的配置設定、使用、管理、收集等有更為精巧的設計，具體可以在JVM堆記憶體分析中進行詳細介紹。

當堆中需要使用的記憶體超過其允許的大小時，會抛出OutOfMemory的錯誤資訊。

l  方法區域（MethodArea）

方法區域存放了所加載的類的資訊（名稱、修飾符等）、類中的靜态變量、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，這些資料都來源于方法區域，可見方法區域的重要性。同樣，方法區域也是全局共享的，它在虛拟機啟動時在一定的條件下它也會被GC，當方法區域需要使用的記憶體超過其允許的大小時，會抛出OutOfMemory的錯誤資訊。

在Sun JDK中這塊區域對應的為PermanetGeneration，又稱為持久代，預設為64M，可通過-XX:PermSize以及-XX:MaxPermSize來指定其大小。

l  運作時常量池（RuntimeConstant Pool）

類似C中的符号表，存放的為類中的固定的常量資訊、方法和Field的引用資訊等，其空間從方法區域中配置設定。類或接口的常量池在該類的class檔案被java虛拟機成功裝載時配置設定。

l  本地方法堆棧（NativeMethod Stacks）

JVM采用本地方法堆棧來支援native方法的執行，此區域用于存儲每個native方法調用的狀态。

例如有這麼一段代碼：

分析下上面代碼執行的結果，可通過javap –verbose A來輔助了解分析。

l  (a+b)==ab

a+b是兩個變量相加，需要到運作時才能确定其值，到運作時後JVM會為兩者相加後産生一個新的對象，是以a+b==ab的結果為false。

l  (“a”+”b”)==ab

“a”+”b”是常量，在編譯時JVM已經将其變為”ab”字元串了，而ab=”ab”也是常量，這兩者在常量池即為同一位址，是以(“a”+”b”)==ab為true。

l  result==ab

result=afinal+”b”，afinal是個final的變量， result在編譯時也已經被轉變為了”ab”，和”ab”在常量池中同樣為同一位址，是以result==ab為true。

l  plus=ab

plus和a+b的情況是相同的，是以plus==ab為false。

l  plus.intern()==ab

這裡的不同點在于調用了plus.intern()方法，這個方法的作用是擷取plus指向的常量池位址，是以plus.intern()==ab為true。

在掌握了JVM對象記憶體配置設定的機制後，接下來看看JVM是如何做到自動的對象記憶體回收的，這裡指的的是Heap以及Method Area的回收，其他幾個區域的回收都由JVM簡單的按生命周期來進行管理