JVM内存模型

红太狼 2021-05-12 11:49 491阅读 0赞

网上关于JVM模型的文章很多，本文旨在根据自己的理解写一点关于JVM模型的知识点。

java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾回收技术所围城的高墙，墙外的人想进来，墙内的人却想出来。

**一、JVM运行时数据区：**

由如下5个部分组成：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**1、程序计数器：**

程序计数器，可以看做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，字节码解释器工作就是通过改变程序计数器的值来选择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依赖该计数器完成。

多线程中，为了让线程切换后能恢复正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间互不影响、独立存储，因此这块内存是 线程私有 的。

**2、栈：**

Java虚拟机栈也是线程私有的 ，它的生命周期与线程相同。每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链表、方法出口信息等。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

**3、本地方法栈：**

本地方法栈与虚拟机栈的作用相似，不同之处在于虚拟机栈为虚拟机执行的Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

**4、堆：**

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，此内存区域用来存放对象实例数据 。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，由于现在收集器基本采用分代回收算法，所以Java堆还可细分为：新生代和老年代。从内存分配的角度来看，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(TLAB)。

Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续的即可。在实现上，既可以实现固定大小的，也可以是扩展的。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法完成扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

**5、方法区：**

方法区也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、静态变量等类型数据 。

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，当方法区无法满足内存分配需要时，将抛出OutOfMemoryError异常。

**二、常量池**

用final修饰的成员变量表示常量，值一旦给定就无法改变！final修饰的变量有三种：静态变量、实例变量和局部变量，分别表示三种类型的常量。

**1、Class文件中的常量池：**

在Class文件结构中，最头的4个字节用于存储魔数Magic Number，用于确定一个文件是否能被JVM接受，再接着4个字节用于存储版本号，再接着是用于存放常量的常量池，由于常量的数量是不固定的，所以常量池的入口放置一个U2类型的数据(constant\_pool\_count)存储常量池容量计数值。

常量池主要用于存放两大类常量：

1.  字面量(Literal)：相当于Java语言层面常量的概念，如文本字符串，声明为final的常量值等，
2.  符号引用量(Symbolic References)：符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了如下三种类型的常量：

*  类和接口的全限定名
 *  字段名称和描述符
 *  方法名称和描述符

**2、方法区中的运行时常量池**

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，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

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有编译期才能产生，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比较多的就是String类的intern()方法。

**3、常量池好处：**

常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。

例如字符串常量池，在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。

*  节省内存空间：常量池中所有相同的字符串常量被合并，只占用一个空间。
 *  节省运行时间：比较字符串时，==比equals()快。对于两个引用变量，只用==判断引用是否相等，也就可以判断实际值是否相等。

**4、基本类型包装类和常量池：**

4.1）java中有8种基本类型，其中：Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean 这6种包装类默认创建了数值\[-128，127\]的相应类型的缓存数据，但是超出此范围仍然会去创建新的对象。

//Integer 缓存代码 ：
    public static Integer valueOf(int i) {
            assert IntegerCache.high >= 127;
            if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
                return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
            return new Integer(i);
        }
    
      Integer i1 = 40;
      Integer i2 = 40;
      System.out.println(i1==i2);//输出true
    
      Integer i1 = 400;
      Integer i2 = 400;
      System.out.println(i1==i2);//输出false

两种浮点数类型的包装类Float,Double并没有实现常量池技术。

Double i1=1.2;
      Double i2=1.2;
      System.out.println(i1==i2);//输出false

**补充：双等号==的含义**

*  基本数据类型之间应用双等号，比较的是他们的数值。
 *  复合数据类型(类)之间应用双等号，比较的是他们在内存中的存放地址。

**4.2）Integer常量池应用：**

1）两种方式创建Integer：

Integer i1 = 40;
      Integer i2 = new Integer(40);
      System.out.println(i1==i2);//输出false

Integer i1=40；Java在编译的时候会直接将代码封装成Integer i1=Integer.valueOf(40);，从而使用常量池中的对象。Integer i1 = new Integer(40);这种情况下会创建新的对象（new 会创建新对象）。

2）我们在看一个自动拆箱、装箱的例子：

Integer i1 = 40;
      Integer i2 = 40;
      Integer i3 = 0;
      Integer i4 = new Integer(40);
      Integer i5 = new Integer(40);
      Integer i6 = new Integer(0);
      
      System.out.println("i1=i2   " + (i1 == i2));//true
      System.out.println("i1=i2+i3   " + (i1 == i2 + i3));//true
      System.out.println("i1=i4   " + (i1 == i4));//false
      System.out.println("i4=i5   " + (i4 == i5));//false
      System.out.println("i4=i5+i6   " + (i4 == i5 + i6));//true   
      System.out.println("40=i5+i6   " + (40 == i5 + i6));//true

解释：语句i4 == i5 + i6，因为+这个操作符不适用于Integer对象，首先i5和i6进行自动拆箱操作，进行数值相加，即i4 == 40。然后Integer对象无法与数值进行直接比较，所以i4自动拆箱转为int值40，最终这条语句转为40 == 40进行数值比较。

**4.3）String常量池应用：**

1）两种方式创建String：

String str1 = "abcd";
     String str2 = new String("abcd");
     System.out.println(str1==str2);//false

这两种不同的创建方法是有差别的，第一种方式是在常量池中拿对象，第二种方式是直接在堆内存空间创建一个新的对象。只要使用new方法，便需要创建新的对象。

2）字符串拼接：

String str1 = "str";
      String str2 = "ing";
      
      String str3 = "str" + "ing";
      String str4 = str1 + str2;
      System.out.println(str3 == str4);//false
      
      String str5 = "string";
      System.out.println(str3 == str5);//true

*  只有使用引号包含文本的方式创建的String对象之间使用“+”连接产生的新对象才会被加入字符串池中。
 *  对于所有包含new方式新建对象（包括null）的“+”连接表达式，它所产生的新对象都不会被加入字符串池中。

3）特例：

public static final String A = "ab"; // 常量A
    public static final String B = "cd"; // 常量B
    public static void main(String[] args) {
         String s = A + B;  // 将两个常量用+连接对s进行初始化 
         String t = "abcd";   
        if (s == t) {   
             System.out.println("s等于t，它们是同一个对象");   
         } else {   
             System.out.println("s不等于t，它们不是同一个对象");   
         }   
     } 
    s等于t，它们是同一个对象

A和B都是常量，值是固定的，因此s的值也是固定的，它在类被编译时就已经确定了。也就是说：String s=A+B; 等同于：String s="ab"+"cd";

public static final String A; // 常量A
    public static final String B;    // 常量B
    static {   
         A = "ab";   
         B = "cd";   
     }   
     public static void main(String[] args) {   
        // 将两个常量用+连接对s进行初始化   
         String s = A + B;   
         String t = "abcd";   
        if (s == t) {   
             System.out.println("s等于t，它们是同一个对象");   
         } else {   
             System.out.println("s不等于t，它们不是同一个对象");   
         }   
     } 
    s不等于t，它们不是同一个对象

A和B虽然被定义为常量，但是它们都没有马上被赋值。在运算出s的值之前，他们何时被赋值，以及被赋予什么样的值，都是个变数。因此A和B在被赋值之前，性质类似于一个变量。那么s就不能在编译期被确定，而只能在运行时被创建了。

4）String s1 = new String("xyz"); 创建了几个对象？

考虑类加载阶段和实际执行时。

1.  类加载对一个类只会进行一次。"xyz"在类加载时就已经创建并驻留了（如果该类被加载之前已经有"xyz"字符串被驻留过则不需要重复创建用于驻留的"xyz"实例）。驻留的字符串是放在全局共享的字符串常量池中的。
2.  在这段代码后续被运行的时候，"xyz"字面量对应的String实例已经固定了，不会再被重复创建。所以这段代码将常量池中的对象复制一份放到heap中，并且把heap中的这个对象的引用交给s1 持有。

所以，这条语句创建了2个对象。

5）java.lang.String.intern()：

String的intern()方法会查找在常量池中是否存在一份equal相等的字符串,如果有则返回该字符串的引用,如果没有则添加自己的字符串进入常量池。

public static void main(String[] args) {    
          String s1 = new String("计算机");
          String s2 = s1.intern();
          String s3 = "计算机";
          System.out.println("s1 == s2? " + (s1 == s2));//false
          System.out.println("s3 == s2? " + (s3 == s2));//true
      }

6）看一个例子：

public class Test {
     public static void main(String[] args) {   
          String hello = "Hello", lo = "lo";
          System.out.println((hello == "Hello") + " ");
          System.out.println((Other.hello == hello) + " ");
          System.out.println((other.Other.hello == hello) + " ");
          System.out.println((hello == ("Hel"+"lo")) + " ");
          System.out.println((hello == ("Hel"+lo)) + " ");
          System.out.println(hello == ("Hel"+lo).intern());
     }   
    }
    class Other { static String hello = "Hello"; }
    package other;
    public class Other { public static String hello = "Hello"; }

*  在同包同类下,引用自同一String对象.
 *  在同包不同类下,引用自同一String对象.
 *  在不同包不同类下,依然引用自同一String对象.
 *  在运行时创建的字符串具有独立的内存地址,所以不引用自同一String对象.
 *  在编译成.class时能够识别为同一字符串的,自动优化成常量,引用自同一String对象.

参考：

[https://cloud.tencent.com/developer/article/1450501][https_cloud.tencent.com_developer_article_1450501]

[https://www.jianshu.com/p/c7f47de2ee80][https_www.jianshu.com_p_c7f47de2ee80]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXhpYW83MjM4NDY_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20210511/23eeb9f09eab4d99897388cb31a0597c.png
[https_cloud.tencent.com_developer_article_1450501]: https://cloud.tencent.com/developer/article/1450501
[https_www.jianshu.com_p_c7f47de2ee80]: https://www.jianshu.com/p/c7f47de2ee80