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Java运行时数据区详解(二)

1. Java虚拟机栈

与程序计数器一样,Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)也是线程私有的,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型:每个方法被执行的时候,Java虚拟机都会同步创建一个栈帧 [1] (Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信
息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存区域笼统地划分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),这种划分方式直接继承自传统的C、C++程序的内存布局结构,在Java语言里就显得有些粗糙了,实际的内存区域划分要比这更复杂。不过这种划分方式的流行也间接说明了程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的区域是“堆”和“栈”两块。其中,“堆”在稍后笔者会专门讲述,而“栈”通常就是指这里讲的虚拟机栈,或
者更多的情况下只是指虚拟机栈中局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference类型,它并不等同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是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)。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽(Slot)来表示,其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽,其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。请读者注意,这里说的“大小”是指变量槽的数量,
虚拟机真正使用多大的内存空间(譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特,或者更多)来实现一个变量槽,这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。

在《Java虚拟机规范》中,对这个内存区域规定了两类异常状况: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Java虚拟机栈容量可以动态扩展 [2] ,当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。


[1] 栈帧是方法运行期很重要的基础数据结构,在本书的第8章中还会对帧进行详细讲解。
[2] HotSpot虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的,以前的Classic虚拟机倒是可以。所以在HotSpot虚拟机上是不会由于虚拟机栈无法扩展而导致OutOfMemoryError异常——只要线程申请栈空间成功了就不会有OOM,但是如果申请时就失败,仍然是会出现OOM异常的,后面的实战中笔者也演示了这种情况。

2. 本地方法栈

本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别只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本地(Native)方法服务。

《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定,因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它,甚至有的Java虚拟机(譬如Hot-Spot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,本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

3. Java堆

对于Java应用程序来说,Java堆(Java Heap)是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程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,Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。在《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是:“所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配 [1] ”,而这里笔者写的“几乎”是指从实现角度来看,随着Java语
言的发展,现在已经能看到些许迹象表明日后可能出现值类型的支持,即使只考虑现在,由于即时编译技术的进步,尤其是逃逸分析技术的日渐强大,栈上分配、标量替换 [2] 优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生,所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。


Java堆是垃圾收集器管理的内存区域,因此一些资料中它也被称作“GC堆”(Garbage CollectedHeap,幸好国内没翻译成“垃圾堆”)。从回收内存的角度看,由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的,所以Java堆中经常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“Eden空间”“From Survivor空间”“To Survivor空间”等名词,这些概念在本书后续章节中还会反复登场亮相,在这里笔者想先说明的是这些区域划分仅仅是一部分垃圾收集器的共同特性或者说设计风格而已,而非某个Java虚拟机具体实现的固有内存布局,更不是《Java虚拟机规范》里对Java堆的进一步细致划分。不少资料上经常写着类似于“Java虚拟机的堆内存分为新生代、老年代、永久代、Eden、Survivor……”这样的内容。在十年
之前(以G1收集器的出现为分界),作为业界绝对主流的HotSpot虚拟机,它内部的垃圾收集器全部都基于“经典分代” [3] 来设计,需要新生代、老年代收集器搭配才能工作,在这种背景下,上述说法还算是不会产生太大歧义。但是到了今天,垃圾收集器技术与十年前已不可同日而语,HotSpot里面也出现了不采用分代设计的新垃圾收集器,再按照上面的提法就有很多需要商榷的地方了。


如果从分配内存的角度看,所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB),以提升对象分配时的效率。不过无论从什么角度,无论如何划分,都不会改变Java堆中存储内容的共性,无论是哪个区域,存储的都只能是对象的实例,将Java堆细分的目的只是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。在本章中,我们仅仅针对内存区域的
作用进行讨论,Java堆中的上述各个区域的分配、回收等细节将会是下一章的主题。

根据《Java虚拟机规范》的规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,但在逻辑上它应该被视为连续的,这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样,并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象(典型的如数组对象),多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑,很可能会要求连续的内存空间。


Java堆既可以被实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过参数-Xmx和-Xms设定)。如果在Java堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。


[1] 《Java虚拟机规范》中的原文:The heap is the runtime data area from which memory for all classinstances and arrays is allocated。
[2] 逃逸分析与标量替换的相关内容,请参见第11章的相关内容。
[3] 指新生代(其中又包含一个Eden和两个Survivor)、老年代这种划分,源自UC Berkeley在20世纪80年代中期开发的Berkeley Smalltalk。历史上有多款虚拟机采用了这种设计,包括HotSpot和它的前身Self和Strongtalk虚拟机(见第1章),原始论文是:https://dl.acm.org/citation.cfm?id=808261。

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