Java8-JVM内存区域划分白话解读

Posted 2021-11-10 b1ackc4t

前言

java作为一款能够自动管理内存的语言，与传统的c/c++语言相比有着自己独特的优势。虽然我们无需去管理内存，但为了防范可能发生的异常，我们需要对java内部数据如何存储有一定了解，已应对突发问题，写出更好的程序

JVM对运行时程序内存的划分

java程序在被编译成字节码后，由JVM执行，执行期间产生的所有数据，会被分门别类的存储在JVM预设好的区域里，具体情况如下所示

java6时方法区还属于JVM管理的内存，那时俗称为“永久代”，负责存储：被虚拟机加载的类型信息、方法信息、常量（包括字符串常量）、静态变量等等

java7时把永久代里的字符串常量池、静态变量移动到了堆中

java8废除永久代，改用元空间来实现方法区，原来java7中永久代的剩余内容移动到元空间中

以下为java8的内存分布图

Tips：红色是线程共享的，黄色是线程私有的

接下来我们着重讨论Java8中的内存分布情况

JVM管理的内存

这部分内存在JVM中，由JVM直接分配，初始大小、最大大小都可以由JVM进行配置

程序计数器

是一段较小的内存空间，用于告诉字节码解释器下一条执行哪一个字节码指令。是唯一一个在《java虚拟机规范》没有规定任何OutOfMemoryError的区域

每条线程必须有独立的程序计数器，以确保切换线程时，线程可以在正确的位置继续执行字节码

Tips：当执行Native方法时，计数器值为空(undefined)

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虚拟机栈

我们平常俗称的栈指的就是虚拟机栈，用来描述和存储Java方法的内存模型。里面的数据生命周期在编译时就已经确定了，比如局部变量方法调用结束就该释放，内存很容易管理，所以并不是很依赖GC

具体行为：

每当执行一个方法时，JVM就会创建一个栈帧放进虚拟机栈中

栈帧的内容包括但不限于：

1. 局部变量表（也包括形参）
   • 八大基本数据类型
   • 引用类型（直接指针或者句柄，由具体的JVM实现决定）
   • returnAddress类型 （用于方法结束回到原来的字节码位置继续执行）
2. 操作数栈
   • 开始时是空的，运行后逐渐入栈出栈，比如算数运算就是操作数栈进行的
3. 动态连接
4. 方法出口

直到方法执行结束，JVM就会将此方法的栈帧出栈

显然，如果多个线程共用同一虚拟机栈，会出现某个线程的方法还没执行完毕，又被另一线程的栈帧入栈，破坏了方法数据结构。所以虚拟机栈是线程私有的

returnAddress作用

用于执行完方法后回到调用方法的位置继续往下执行

当一个栈帧入栈时，returnAddress保存当前程序计数器的值，即当前字节码位置，然后开始执行方法，方法执行结束后，用returnAddress的值恢复程序计数器，即回到调用方法时的字节码位置

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本地方法栈

几乎与虚拟机栈一样的作用，其区别是，本地方法栈为本地Native方法服务，通常是本地的C/C++库的方法，而虚拟机栈是为java方法服务的

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堆区

通常是JVM中最大的内存区域，也是垃圾收集器GC最经常光顾的区域，里面的数据生命周期无法在编译时确定，需要GC来帮助判断是否是“死亡变量”，以回收没必要的内存。

存储的内容：

1. 对象的实例
2. 数组
3. 字符串常量池
   • 物理上在堆区，逻辑上是方法区的内容
4. 静态变量
   • 物理上在堆区，逻辑上是方法区的内容

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本地内存

默认情况使用大小只受限于本地内存的实际大小

但我们任可以通过JVM配置限制使用大小

这里面的数据一般不经常变动，存放在这里被JVM间接管理较为合适（间接管理速度肯定比JVM内部的慢些）

方法区（元空间）

java8使用元空间来实现的方法区，《Java虚拟机规范》中方法区为堆区的逻辑部分，堆中的对象依靠方法区存储的类信息来生成实例

存储的内容：

1. 运行时常量池
   • 字面量
   • 符号引用
2. 类信息
   • 类型
     • 完整名
     • 修饰符
     • 父类、接口信息
   • 域
     • 名称
     • 类型
   • 方法
     • 名称
     • 参数
     • 返回值
     • 字节码

以上包含了一些有代表性的内容，并不代表方法区存储的全部内容

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直接内存

此部分并不常用，至少对我目前来说。

在jdk1.4中加入了NIO（New Input/Putput）类，引入了一种基于通道（channel）与缓冲区（buffer）的新IO方式，它可以使用native函数直接分配堆外内存，然后通过存储在java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作，这样可以在一些场景下大大提高IO性能，避免了在java堆和native堆来回复制数据。--《深入理解java虚拟机》

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Java——JVM内存详解

1. 简介

Java 程序运行时，需要在内存中分配空间。为了提高运算效率，就对空间进行了不同区域的划分，因为每一片区域都有特定的处理数据方式和内存管理方式。

分配：通过关键字new创建对象分配内存空间，对象存在堆中。
释放 ：对象的释放是由垃圾回收机制决定和执行的

JVM的内存可分为3个区：

• 堆(heap)
• 栈(stack)
• 方法区(method，也叫静态区)：

2. 内存区域的划分

一个java程序运行的数据区：

堆区： 程序员自己申请，运行时线程公有

• 通过new生成的对象都存放在堆中，对于堆中的对象生命周期的管理由Java虚拟机的垃圾回收机制GC进行回收和统一管理
• jvm只有一个堆区(heap)，且被所有线程共享，堆中不存放基本类型和对象引用，只存放对象本身和数组本身；
• 优点是可以动态分配内存大小，缺点是由于动态分配内存导致存取速度慢。

虚拟机栈: 系统自己分配，运行时线程私有

• 栈内存主要是存放一些基本类型的变量和对象的引用变量。最典型的就是我们new一个对象时，对象名作为变量就存放在栈内存中
• 栈内存有一个很重要的特殊性——在栈中的数据可以共享（已存在的值不会再次创建）
  int a = 3;
  int b = 3；
  (编译器先处理int a =3；首先它会在栈中创建一个变量为a的引用，然后查找栈中是否有3这个值，如果没找到，就将3存放进来，然后将a指向3。接着处理int b)
• 每个方法执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等。局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAddress类型
• 每个方法从调用直至完成的过程，都对应着一个栈帧从入栈到出栈的过程。每当一个方法执行完成时，该栈帧就会弹出栈帧的元素作为这个方法的返回值，并且清除这个栈帧，Java栈的栈顶的栈帧就是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，方法的调用过程也是由栈帧切换来产生结果。
• 在JVM规范中，对这个区域规定了两种异常情况：
  1.如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；
  2.如果虚拟机栈可以动态扩展，在扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈：
和虚拟机栈所发挥的作用基本一致，不同的是：

• 虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务
• 本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务
• 本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

方法区（静态区）:

• 是各个线程共享的内存区域，它用于存储class二进制文件，包含所有的class和static变量，包含了虚拟机加载的类信息、常量(常量池)、静态变量(静态域)、即时编译后的代码等数据。
• 方法区中包含的都是在整个程序中永远唯一的元素，如class，static变量。
• 被所有的线程共享，方法区包含所有的class（class是指类的原始代码，要创建一个类的对象，首先要把该类的代码加载到方法区中，并且初始化）和static变量。
• 方法区中包含的都是在整个程序中永远唯一的元素，如class，static变量。
  常量池：在编译期间就将一部分数据存放于该区域，包含以final修饰的基本数据类型的常量值、String字符串。（在java6时它是方法区的一部分；1.7又把他放到了堆内存中；1.8之后出现了元空间，它又回到了方法区。）
  静态域：存放类中以static声明的静态成员变量。
  程序计数器：当前线程所执行的行号指示器。通过改变计数器的值来确定下一条指令，比如循环，分支，跳转，异常处理，线程恢复等都是依赖计数器来完成。

程序计数器：
一个非常小的内存空间，用来保存程序执行到的位置（线程私有），它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

Metaspace元空间：

• 在JDK1.8中，永久代已经不存在，存储的类信息、编译后的代码数据等已经移动到了MetaSpace（元空间）中，元空间并没有处于堆内存上，而是直接占用的本地内存（NativeMemory）。
• 元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。
• 元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。
• 元空间的大小仅受本地内存限制，可以指定元空间大小。
• Java8为什么要将永久代替换成Metaspace？
  1、字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
  2、类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。
  3、永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
  4、Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。

3. 举个栗子

（1）基本数据类型

int a = 3;
int b = 3;

编译器先处理 int a = 3；首先它会在栈中创建一个变量为 a 的引用，然后查找有没有字面值为3的地址，没找到，就开辟一个存放3这个字面值的地址，然后将 a 指向3的地址。

接着处理 int b = 3；在创建完 b 这个引用变量后，由于在栈中已经有3这个字面值，便将 b 直接指向3的地址。这样，就出现了 a 与 b 同时均指向3的情况。

（2）对象

public class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

一个类通过使用new运算符可以创建多个不同的对象实例，这些对象实例将在堆中被分配不同的内存空间，改变其中一个对象的状态不会影响其他对象的状态。

        Person one = new Person("小明",15);
        Person two = new Person("小王",17);

在堆内存中只创建了一个对象实例，在栈内存中创建了两个对象引用，两个对象引用同时指向一个对象实例。

        Person one = new Person("小明",15);
        Person two = one;

（3）包装类
基本类型的定义都是直接在栈中，如果用包装类来创建对象，就和普通对象一样了。

比如int a = 5,a存储在栈中。

而Integer i = new Integer(5)，i 对象数据存储在堆中，i 的引用存储在栈中。

（4）数组
数组是一种引用类型，数组用来存储同一种数据类型的数据。

一旦初始化完成，即所占的空间就已固定下来，即使某个元素被清空，但其所在空间仍然保留，因此数组长度将不能被改变。

int[] array = new int[5]

首先会在栈中创建引用变量，在堆中开辟5个int型数据的空间，该引用变量存放数组首地址，即实现数组名来引用数组。

4. JVM内存模型

主要变化在于：

• java8没有了永久代（虚拟内存），替换为了元空间（本地内存）。
• 常量池：1.7又把他放到了堆内存中；1.8之后出现了元空间，它又回到了方法区。

年轻代：

• 新生成的对象都放在年轻代，主要存放一些生命周期比较短的对象
• 新生代一般分三个区：一个Eden区，两个 Survivor区：
  大部分对象在Eden区中生成，当Eden区满时，还存活的对象将被复制到Survivor区，当这个 Survivor区满时，此区的存活对象将被复制到另外一个Survivor区，当这个Survivor去也满了的时候，从第一个Survivor区复制过来的并且此时还存活的对象，将被复制到老年代(Tenured)。
  同时，根据程序需要，Survivor区是可以配置为多个的（多于两个），这样可以增加对象在年轻代中的存在时间，减少被放到年老代的可能。

老年代：
在年轻代中经历多次垃圾回收后仍存活的对象会被放入老年代中，一般存放生命周期较长的对象

java7永久代：
用于存放静态文件，如Java类、方法等。永久带对垃圾回收没有显著影响，一般不做垃圾回收，在JVM内存中划分空间。

java8元空间：
类似于永久带，不过它是直接使用物理内存而不占用JVM堆内存。

5. 垃圾回收机制

Java不用像C++一样自己释放内存，通过垃圾回收器GC来进行内存的回收释放。

• 不需要进行垃圾回收：程序计数器、JVM栈、本地方法栈。
• 需要进行回收垃圾的区：堆和方法区

什么时候进行垃圾回收？

• 该类的所有实例对象都已经被回收。
• 加载该类的ClassLoader已经被回收。
• 该类对应的反射类java.lang.Class对象没有被任何地方引用。

几种垃圾收集器：

• Minor GC：新生代GC，即发生在新生代（包括Eden区和Survivor区）的垃圾回收操作，当新生代无法为新生对象分配内存空间的时候，会触发Minor GC。因为新生代中大多数对象的生命周期都很短，所以发生Minor GC的频率很高，虽然它会触发stop-the-world，但是它的回收速度很快。
• Major GC：Tenured区GC，用于回收老年代，出现Major GC通常会出现至少一次Minor GC。
• Full GC：是针对整个新生代、老生代、元空间（metaspace，java8以上版本取代perm gen）的全局范围的GC。Full GC不等于Major GC，也不等于Minor GC+Major GC，发生Full GC需要看使用了什么垃圾收集器组合，才能解释是什么样的垃圾回收。

垃圾回收机制流程如下：

GC主要处理的是年轻代与老年代的内存清理操作，元空间（永久代）一般很少用GC。具体流程如下：

① 当一个新对象产生，需要内存空间，为该对象进行内存空间申请。

② 首先判断Eden区是否有有内存空间，有的话直接将新对象保存在Eden区。

③ 如果此时Eden区内存空间不足，会自动触发MinorGC，将Eden区不用的内存空间进行清理，清理之后判断Eden区内存空间是否充足，充足的话在Eden区分配内存空间。

④ 如果执行MinerGC发现Eden区不足，判断存活区，如果Survivor区有剩余空间，将Eden区部分活跃对象保存在Survivor区，随后继续判断Eden区是否充足，如果充足在Eden区进行分配。

⑤ 如果此时Survivor区也没空间了，继续判断老年区，如果老年区空间充足，则将Survivor区中活跃对象保存到老年代，而后存活区有空余空间，随后Eden区将活跃对象保存在Survivor区之中，在Eden区为新对象开辟空间。

⑥ 如果老年代满了，此时将产生MajorGC进行老年代内存清理，进行完全垃圾回收。

⑦ 如果老年代执行MajorGC发现依然无法进行对象保存，此时会进行OOM异常（OutOfMemoryError）。

上面流程就是整个垃圾回收机制流程，总的来说，新创建的对象一般都会在Eden区生成，除非这个创建对象太大，那有可能直接在老年区生成。

几种垃圾回收算法：

• 标记-清除算法（Mark-Sweep）：最基础的GC算法，将需要进行回收的对象做标记，之后扫描，有标记的进行回收，这样就产生两个步骤：标记和清除。这个算法效率不高，而且在清理完成后会产生内存碎片，这样，如果有大对象需要连续的内存空间时，还需要进行碎片整理。
• 复制算法（Copying）：新生代内存分为了三份，Eden区和2块Survivor区，保证有一块Survivor区是空闲的，这样，在垃圾回收的时候，将不需要进行回收的对象放在空闲的Survivor区，然后将Eden区和第一块Survivor区进行完全清理，这样有一个问题，就是如果第二块Survivor区的空间不够大怎么办？这个时候，就需要当Survivor区不够用的时候，暂时借持久代的内存用一下。此算法适用于新生代。
• 标记-整理（或叫压缩）算法（Mark-Compact）：和标记-清楚算法前半段一样，只是在标记了不需要进行回收的对象后，将标记过的对象移动到一起，使得内存连续，这样，只要将标记边界以外的内存清理就行了。此算法适用于持久代。

6. 其他关于内存的小知识点

（1）Java中==和equals的区别，equals和hashCode的区别

• Java中==和equals的区别，equals和hashCode的区别
• ==用于基本数据类型用比较，比较的是值是否相等
• ==用于对象，比较的是在内存中的地址是否相等
• Equals表示引用所指内容是否相等。