JVM系列：JVM内存模型

Posted 2021-04-17 智猿其说

一 运行时数据区域

JVM内存模型

类加载器加载的class字节码保存到JVM内存的方法区，实例化类对象时在堆内存中生成对象信息，调用对象的方法时会在栈内存将方法进行压栈，如果发生线程切换，会将当前线程栈内存中调用信息保存到程序计数器中，当前线程获得CPU执行权时，将程序计数器中上次调用信息获取到，继续上次的位置接着执行。

二 详解

2.1 方法区

方法区是线程共享的一块内存区域，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。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，不需要连续的内存，可以选择固定的大小或者可扩展内存大小，也可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区是少见的。这个区域的内存回收主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的垃圾回收效果很难令人满意。

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，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

运行时常量池相对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在编译期产生，也就是并非预置于class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入其中，例如使用的较多的string类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时将抛出 OutOfMemoryError 异常。

加入运行时常量池后的方法区如下图所示：

JVM内存模型

2.2 堆

对大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。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。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个区域分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为GC堆。如果从内存回收的角度看，现在的收集器基本上都采用的分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老龄代；在细致一点的有Eden、From Survivor空间、To Survivor空间等。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的存储空间中，只要逻辑上是连续的即可。在实现时既可以实现为固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展的来实现（通过 -Xmx 和 -Xms 控制）。

如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

加入新生代和老龄代后的堆如下图所示：

JVM内存模型

2.3 Java方法栈

Java方法栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同，线程结束栈内存也就释放，所以不存在垃圾回收。Java方法栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（stack frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在Java方法栈中从入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存区划分为堆内存和栈内存，这种划分的流行只能说明大多数程序员最关心的、与对象内存分配关系最密切的就是这两块。其中所指的堆我们前面有讲过，而所指的栈就是我们现在讲的Java方法栈，或者说虚拟机中的局部变量表部分。

局部变量表存放了编译器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。局部变量表所需的内存空间在编译期完成分配，当进入方法时，这个方法需要在帧中分配多大的内存空间是确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的深度，将抛出 StackOverflowError异常；如果虚拟机可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时将抛出 OutOfMemoryError 异常。

2.4 本地方法栈

本地方法栈和Java方法栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是Java方法栈为虚拟机执行Java方法（class字节码）服务，而本地方法栈是为虚拟机使用到的native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由的实现它。

与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError异常和 OutOfMemoryError 异常。

加入栈帧后的栈如下图所示：

JVM内存模型

2.5 程序计数器

程序计数器是较小的一块内存区域，是线程私有的，它的作用可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型中，字节码解释器工作时就是通过改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，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）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，即这块内存区域为线程私有的内存。

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。

三 总结

1. 按是否多线程内存共享划分：

是否多线程内存共享

2. 按是否存在垃圾收集行为划分：

是否存在垃圾收集行为

3. 按是否抛出OutOfMemoryError异常划分：

是否抛出OutOfMemoryError异常