1.jvm内存模型

Posted 2021-11-28 li-jing

1、java中通过多线程机制使得多个任务同时执行处理，所有的线程共享JVM内存区域main menory，而每个线程又单独的you自己的工作内存，当线程与内存区域进行交互时，数据从主存拷贝到工作内存，进而交由线程处理（操作码+操作数）。

 

 （1）程序计数器

　　程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看作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里（仅概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个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，一场处理，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来实现的，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执行位置，你没调线程都需要有一个独立的线程计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称为这类内存区域为线程私有的内存。

　　如果线程正在执行的是一个java方法，这个计数器记录的是这个再执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是native方法，这个计数器值为空（Undefined）。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情况区域。

（2）java虚拟机栈

　　与程序计数器一样，java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期也线程周期相同。虚拟机栈描述的是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、方法出口信息。每个方法被调用用于执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈出栈的过程。

　　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（reference类型，它不同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始位置的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或其他于此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在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。

　　在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状态：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；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的java虚拟机都可以动态扩展只不过java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMermoryError异常。

（3）本地方法栈

　　本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则视为虚拟机使用到的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实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot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，本地方法栈区域会抛出StackOverflowError和OutOtMemoryError异常。

（4）java堆

　　对于大多数应用来说，java堆（Java Heap）是java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。此内存的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有对象实例都在这里分配内存。这一点在java虚拟机规范中描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换，优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

　　Java堆是垃圾收集器的主要区域，因此很多时候也被称为GC堆（Garbage Collected Heap），如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以java堆还可以细分为：新生代和老生代；再细一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。如果从内存分配的角度看，线程共享的java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过，无论怎么划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。

　　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，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是扩展的，不过当前主流的虚拟机都是可扩展来实现（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有完成实例内存分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

（4）方法区

　　方法区（method Area）与java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。虽然java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap，目的应该是与java堆区分开来。

　　对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序员的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”，本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机来说不存在永久代的概念的。即使是HotSpot 虚拟机本身，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory 来实现方法区的规划了。

　　Java 虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java 堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还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域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标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回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中，曾出现过的若干个严重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

　　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OutOfMemoryError 异常。

（5）运行时常量池

　　运行时常量池（Runtime Constant Pool）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，还有一些信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在加载后存放到方法区的运行时常量池中。

　　Java 虚拟机对Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、装载和执行。但对于运行时常量池，Java 虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过，一般来说，除了保存Class 文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中①。

　　运行时常量池相对于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只能在编译期产生，也就是并非预置入Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是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会抛出OutOfMemoryError 异常。