谈谈对运行时数据区的理解?

Tip:这道题是非常重要的题目,几乎问到 Java 虚拟机这块都是会被问到的。建议不要简单的只回答几个区域的名称,最好展开的讲解下,下面的答案是比较详细的,根据自己的理解回答其中某一段即可。

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  • 1. 程序计数器

程序计数器(Program Counter Register):是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。程序的分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器都只会执行一条线程中的命令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各线程之间的计数器互不影响,独立存储,我们程这块内存区域为“线程私有”的内存。

此区域是唯一 一个虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

  • 2. Java 虚拟机栈

Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks):描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的同时都会创建一个帧栈(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从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入栈到出栈的过程。它的线程也是私有的,生命周期与线程相同。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)。

Java 虚拟机栈的局部变量表的空间单位是槽(Slot),其中 64 位长度的 double 和 long 类型会占用两个 Slot。局部变量表所需内存空间在编译期完成分配,当进入一个方法时,该方法需要在帧中分配多大的局部变量是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

Java虚拟机栈有两种异常状况:如果线程请求的栈的深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出 StackOverflowError 异常;如果扩展时无法申请到足够的内存,就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

  • 3. 本地方法栈

本地方法栈(Native Method Stack):与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,它们之间的区别只不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。

Java 虚拟机规范没有对本地方法栈中方法使用的语言、使用的方式和数据结构做出强制规定,因此具体的虚拟机可以自由地实现它。比如:Sun HotSpot 虚拟机直接把Java虚拟机栈和本地方法栈合二为一。

与Java虚拟机栈一样,本地方法栈也会抛出StackOverflowError和 OutOfMemoryError 异常。

  • 4. Java 堆

Java堆(Java Heap):是被所有线程所共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是:存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做“GC”堆(Garbage Collected Heap)。从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以 Java 堆中还可以细分为:新生代和老年代。从内存分配角度来看,线程共享的 Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)。不过无论如何划分,都与存放的内容无关,无论哪个区域,存储的都仍然是对象实例,进一步划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。

Java 虚拟机规定,Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可。在实现时,可以是固定大小的,也可以是可扩展的。如果在堆中没有完成实例分配。并且堆也无法扩展时,将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

  • 5. 方法区

方法区(Method Area):与 Java 堆一样,是各个线程共享的内存区域,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。

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),其目的应该就是与 Java 堆区分开来。

Java 虚拟机规范对方法区的限制非常宽松,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。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。

根据Java虚拟机规范规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池:运行时常量池(Runtime Constant Pool):是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一些信息是常量池,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

Java 虚拟机对 Class 文件每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格的规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行。

直接内存:直接内存(Direct Memory):并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是 Java 虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也频繁地使用,而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常。

本地直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制,但是,既然是内存,肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。如果各个内存区域总和大于物理内存限制,从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。

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