JVM系列第6讲：Java 虚拟机内存结构

Posted 2021-04-18 陈树义

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JVM系列第6讲：Java 虚拟机内存结构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

看到这里，我相信大家对于一个 Java 源文件是如何变成字节码文件，以及字节码文件的含义已经非常清楚了。那么接下来就是让 Java 虚拟机运行字节码文件，从而得出我们最终想要的结果了。在这个过程中，Java 虚拟机会加载字节码文件，将其存入 Java 虚拟机的内存空间中，之后进行一系列的初始化动作，最后运行程序得出结果。

那么字节码数据在 Java 虚拟机内存中是如何存放的？Java 虚拟机在为类实例或成员变量分配内存是如何分配的？要解答上面这些问题，我们首先需要了解一下 Java 虚拟机的内存结构。

其实 Java 虚拟机的内存结构并不是官方的说法，在《Java 虚拟机规范》中用的是「运行时数据区」这个术语。但很多时候这个名词并不是很形象，再加上日积月累的习惯，我们都习惯用虚拟机内存结构这个说法了。

根据《Java 虚拟机规范》中的说法，Java 虚拟机的内存结构可以分为公有和私有两部分。公有指的是所有线程都共享的部分，指的是 Java 堆、方法区、常量池。私有指的是每个线程的私有数据，包括：PC寄存器、Java 虚拟机栈、本地方法栈。

公有部分：Java堆、方法区、常量池

在 Java 虚拟机中，线程共享部分包括 Java 堆、方法区及常量池。

Java 堆指的是从 JVM 划分出来的一块区域，这块区域专门用于 Java 实例对象的内存分配，几乎所有实例对象都在会这里进行内存的分配。之所以说几乎是因为有特殊情况，有些时候小对象会直接在栈上进行分配，这种现象我们称之为「栈上分配」。这里并不深入介绍，后续有章节会介绍。

方法区指的是存储 Java 类字节码数据的一块区域，它存储了每一个类的结构信息，例如运行时常量池、字段和方法数据、构造方法等。可以看到常量池其实是存放在方法区中的，但《Java 虚拟机规范》将常量池和方法区放在同一个等级上，这点我们知晓即可。

方法区在不同版本的虚拟机有不同的表现形式，例如在 1.7 版本的 HotSpot 虚拟机中，方法区被称为永久代（Permanent Space），而在 JDK 1.8 中则被称之为 MetaSpace。

说完这几个部分的大致作用之后，我们来深入说说 Java 堆。

Java 堆根据对象存活时间的不同，Java 堆还被分为年轻代、老年代两个区域，年轻代还被进一步划分为 Eden 区、From Survivor 0、To Survivor 1 区。如下图所示。

当有对象需要分配时，一个对象永远优先被分配在年轻代的 Eden 区，等到 Eden 区域内存不够时，Java 虚拟机会启动垃圾回收。此时 Eden 区中没有被引用的对象的内存就会被回收，而一些存活时间较长的对象则会进入到老年代。在 JVM 中有一个名为 -XX:MaxTenuringThreshold 的参数专门用来设置晋升到老年代所需要经历的 GC 次数，即在年轻代的对象经过了指定次数的 GC 后，将在下次 GC 时进入老年代。

这里让我们思考一个问题：为什么 Java 堆要进行这样一个区域划分呢？

根据我们的经验，虚拟机中的对象必然有存活时间长的对象，也有存活时间短的对象，这是一个普遍存在的正态分布规律。如果我们将其混在一起，那么因为存活时间短的对象有很多，那么势必导致较为频繁的垃圾回收。而垃圾回收时不得不对所有内存都进行扫描，但其实有一部分对象，它们存活时间很长，对他们进行扫描完全是浪费时间。因此为了提高垃圾回收效率，分区就理所当然了。

另外一个值得我们思考的问题是：为什么默认的虚拟机配置，Eden：from ：to = 8:1:1 呢？

其实这是 IBM 公司根据大量统计得出的结果。根据 IBM 公司对对象存活时间的统计，他们发现 80% 的对象存活时间都很短。于是他们将 Eden 区设置为年轻代的 80%，这样可以减少内存空间的浪费，提高内存空间利用率。

私有部分：PC寄存器、Java 虚拟机栈、本地方法栈

Java 堆以及方法区的数据是共享的，但是有一些部分则是线程私有的。线程私有部分可以分为：PC 寄存器、Java 虚拟机栈、本地方法栈三大部分。

Java 虚拟机栈，这个栈与线程同时创建，用来存储栈帧，即存储局部变量与一些过程结果的地方。栈帧存储的数据包括：局部变量表、操作数栈。

当 Java 虚拟机使用其他语言（例如 C 语言）来实现指令集解释器时，也会使用到本地方法栈。如果 Java 虚拟机不支持 natvie 方法，并且自己也不依赖传统栈的话，可以无需支持本地方法栈。

总结

Java 虚拟机的内存结构是学习虚拟机所必须掌握的地方，其中以 Java 堆的内存模型最为重要，因为线上问题很多时候都是 Java 堆出现问题。因此掌握 Java 堆的划分以及常用参数的调整最为关键。

除了上述所说的六大部分之外，其实在 Java 中还有直接内存、栈帧等数据结构。但因为直接内存、栈帧的使用场景还比较少，所以这里并不做介绍，以免让初学者一时间混淆。

学到这里，一个 Java 文件就加载到内存中了，并且 Java 类信息就会存储在我们的方法区中。如果创建对象，那么对象数据就会存放在 Java 堆中。如果调用方法，就会用到 PC 寄存器、Java 虚拟机栈、本地方法栈等结构。那么面对如此之多的 Java 类，JVM 是如何决定这些类的加载顺序，又是如此控制它们的加载的呢？下一节，我们讲讲 JVM 的类加载机制。