• 线程公有

    • Methoud Area
    • Heap
  • 线程私有

    • Java Threads
    • Program Counter Registers
    • Native Internal Threads

1. 程序计数器

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(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一个线程中的指令。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,各条线程之间计数器互不影响,独立存储。如果线程正在执行的是一个 Java 方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是 Native 方法,这个计数器值则为空(Undefined)。此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

2. 虚拟机栈

Java 虚拟机栈是线程私有的,生命周期与线程相同,内部数据结构就是一个先进后出的栈。虚拟机栈描述了 Java 方法执行的内存模型:每个方法执行时都会创建一个栈帧(Stack Frame) 来储存局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用到直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈和出栈的过程。

  • 局部变量表:储存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(reference 类型)和 returnAddress 类型(类型(指向了一条字节码指令的地址)。局部变量表所需的内存空间在编译期间就完成分配,运行时不会改变。

如果线程请求的最大栈深度大于了虚拟机所允许的深度,就会出现 StackOverflowError异常;如果虚拟机栈可以动态扩展,当扩展无法申请到足够的内存时,就会出现OutOfMemoryError异常。

3. 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈类似,只是本地方法栈是为 Native 方法服务。

4. Java 堆

Java 堆是所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。Java 虚拟机中描述的是:所有对象实例和数组都要在堆上分配内存。

  • 从内存回收角度来看: 由于现在的垃圾收集器都采用分代收集算法,所以 Java 堆可以细分为新生代年老代。在细致点就有:

    • Eden 空间
    • From Survivor 空间
    • To Survivor 空间
  • 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)。

Java 堆可以处在物理上不连续,但逻辑上要连续的内存空间上。在实现时可以固定大小,也可以不固定大小。通过 -Xmx-Xms 可以控制堆大小。如果堆中没有内存完成分配,并且堆也无法扩展时,就会出现 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。

根据 Java 虚拟机规范的规定,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, 还有一项信息是常量池( Constant Pool Table),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。

运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性,Java 语言并不要求常量一定只有编译期才能产生,也就是并非预置入 Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用得比较多的便是 String 类的 intern() 方法。

6. 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。但是这部分内存也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO( New Input/ Output)类,引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的 I/O 方式,它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用 进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能,因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。本机直接分配内存不受 Java 堆的限制,但是如果系统本身内存不足以分配时,也会抛出OutOfMemoryError异常。

总结

  • 线程私有的区域: 程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
  • 线程共有的区域:堆、方法区
  • 抛出StackOverflowError的区域: 虚拟机栈、本地方法栈
  • 抛出OutOfMemoryError的区域: 虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区、直接内存区域