JVM 学习笔记 02 - JVM 宏观内存分区

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Intro

上一篇大致了解了 JVM 是如何实现跨平台的，本节介绍一下 JVM 的宏观内存分区。

如果想要在 native 语言中创建数据并在运行时动态分配，以 C 语言为例，可能要这么做：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main() {
  int *mem = malloc(sizeof(int) * 4);
  mem[0] = 10;
  mem[1] = 2;
  for (int =0; i < 4; i++) {
    printf("%d, ", mem[i]);
  }
  free(mem);
  mem = NULL;
}

手动分配内存需要很多开发精力，一次创建需要严格对应一次释放，没有释放会造成内存泄漏，重复释放更会导致不可预测的运行时错误，甚至是让程序崩溃。

Java 不需要也不允许开发者手动管理内存，通过垃圾回收器（GC，Garbarge Collect）机制，Java 可以帮程序员管理内存，从而减少出错的可能。

虽然这带来了极大的便利，除了带来性能上的损失，一旦出现内存问题，如 OutOfMemoryError（OOM）等。开发者同样无法直接修改底层代码，精细地控制内存。所以才需要了解 JVM 内存管理机制，以便在出现此类问题时，找到解决之道。

JVM 内存布局

下图展示了 JVM 的运行时内存布局：

程序计数器（Program Counter Register）可以看为 thread local 字节码的行号指示器。控制流基于 goto，而 goto 所需要的行号就是这块内存提供的。

Thread Local（本地线程）就是当前正在执行的线程，一个核心在同一时刻只能执行一条指令。每个计数器都对应一个 CPU 核心，互不干扰，因此称作 Thread Local。

虚拟机栈（VM Stack）同样也是 thread local 的。这和 C 等语言中的概念类似，不过是抽象出的一层虚拟栈。存放各种基本数据类型、对象引用、字节码地址。

每个方法在执行时都会创建对应的栈帧（Stack Frame），存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。局部变量表的大小在编译时是可知的。然而此处的大小也是虚拟的概念，是指 Slot 的数量。具体大小是由 JVM 实现自行决定的。一般来说会用 32bit 作为一个变量槽，所以 64 位 long 和 double 会占用 2 slots。

在栈中的内存错误可能有两种情况：

栈深度超长，例如无限递归调用时，会抛出 StackOverflowError
- Android 中的栈大小更被限制，因此常常通过 inline 的方法减少调用栈，在 Compose 的源码中更是随处可见 inline 修饰符（当然，这是 Kotlin 的特性）
若 JVM 实现允许动态扩容，却无法申请足够内存时，会抛出 OutOfMemoryError

在最广泛使用的 Hotspot VM 实现中，栈不允许动态拓展，所以多数情况下，只有第一种情况出现。

本地方法栈（Native Method Stacks）和 VM Stack 类似。不过这是为 native 方法准备的。实质上 JVM 标准也未定义统一的规范，虚拟机可以根据需要自行实现。

Heap 堆内存是 JVM 中最大的一块内存，被所有线程共享。Java 对象实例大多都分配在这里。是 GC 主要管理的内存区域，所以也被称为 GC 堆。

Heap 可能是固定大小的，也可能是可扩容的，这取决于虚拟机实现。不过大多数 JVM 都允许通过 -Xmx -Xms 参数指定。如果 Heap 空间耗尽，且无法再扩容，此时也会抛 OOM。

再说一句，JVM 规范中没有对 Heap 做细分，「新生代」「老年代」「永久代」「Eden」「Survivor」等概念都是只特定于「分代 GC」的术语。如今 Java 中 G1、ZGC 等分区 GC 出现，就更不应该将这些术语认为是标准了。

方法区（Method Area）也是共享的，用于存储运行时可获取的类型信息、常量、静态变量、JIT 编译后的缓存等数据。也叫做 Non-heap。

HotSpot 以前有一个永久代（Permanent Generation）的概念，现在已经完全废除了。虽然 JVM 规范中对此区域的限制极少，甚至可以不实现 GC。因为该区域确实也不怎么需要 GC，主要是常量池的回收。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，.class 文件中除了版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项就是常量表了。用于生成编译时的字面量和符号引用。在运行时就会被加载入此处。

同时，通过反射等方式，也能够动态在此处添加常量……所以有动态类生成之类的技术存在。

方法区申请不到内存时，同样也会爆 OOM。

此外，在 JVM 定义外，还存在直接内存（Direct Memory），也就是堆外内存。这块内存不受 JVM 管理，例如在 NIO 中引入了 Channel 和 Buffer 数据的 IO 方式，可以直接使用 Native 堆，而不必反复在 JVM 和 Native 间复制，显著提高了性能。

这块内存不受 -Xms 限制，但受实际操作系统和物理内存限制，容易被忽略。导致内存区域总和大于物理限制，从而出现 OOM。

介绍完 JVM 总体的内存分配，下一篇文章将会讲解对象创建的具体细节。