深入理解Java虚拟机【jvm内存模型以及各个分区】

青旅半醒 2022-05-16 07:18 153阅读 0赞

### 1. JVM 内存模型 ###

Java虚拟机内存的各个区域包括：

*  程序计数器
 *  Java虚拟机栈
 *  本地方法栈
 *  Java堆
 *  方法区

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### 2. 程序计数器 ###

##### 什么是程序计数器呢？ #####

*  `程序计数器`是一块较小的内存空间,它可以是当前程序所执行的字节码的行号指示器。
 *  **注意：**如果线程正在执行的是java的方法，这个计数器记录的是正在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，这个计数器值则为空（Undefined）。

##### 程序计数器的作用 #####

*  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，从而分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖此计数器来完成。
 *  在多线程的情况下，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。线程切换后，能恢复到正确的执行位置。

##### 程序计数器的特点 #####

*  是一块较小的内存空间
 *  “线程私有”;每条线程都有一个独立的程序计数器，各个线程之间计数器互不影响，独立存储。
 *  是唯一一个在Java虚拟机规范中没有任何OutOfMemoryError情况的区域。

### 3. Java虚拟机栈 ###

##### 什么是Java虚拟机栈？ #####

*  描述的是Java方法执行的内存模型。每个方法在执行的同时会创建一个栈帧用于存储`局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口`等。
 *  当方法在运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧的局部变量表中，当这个方法执行完毕后，这个方法所对应的栈帧将会出栈，并释放内存空间。
 *  **注意：** 人们常说，Java内存区分为`栈` 和 `堆`，栈中存放局部变量，堆中存放对象。这里所说的`栈`只代表了Java虚拟机栈中的局部变量表部分。真正的Java虚拟机栈是由一个个栈帧组成，每个栈帧都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。

##### Java虚拟机栈的特点 #####

*  局部变量表的创建是在方法被执行的时候，随着栈帧的创建而创建。而且，局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一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。
 *  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，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出`OutOfMemoryError`异常。
 *  Java虚拟机栈也是线程私有的，每个线程都有各自的Java虚拟机栈，而且随着线程的死亡而死亡。
 *  **注意：** `StackOverFlowError` 和 `OutOfMemoryError`的异同。  
    StackOverFlowError 表示当前线程申请的栈超过了事先定好的栈的最大深度，但内存空间肯还有很多。而OutOfMemoeryError是指当线程申请栈时发现栈已经满了，而且内存也都用光了。

### 本地方法栈 ###

##### 什么是本地方法栈？ #####

*  本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，他们的区别是虚拟机栈为虚拟机执行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。
 *  本地方法被执行的时候，在本地方法栈也会创建一个栈帧，用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。
 *  方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间。也会抛出`StackOverFlowError` 和 `OutOfMemoryError`异常。

### Java堆 ###

##### 什么是堆？ #####

*  java 堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，被所有线程共享的区域，存放对象实例，几乎所有对象实例都在这里分配内存。

##### 堆的特点 #####

*  线程共享：整个java虚拟机只有一个堆，所有的线程都访问同一个堆。而程序计数器、java虚拟机栈、本地方法栈都是一个线程对应一个。
 *  在线程启动时被创建。
 *  垃圾收集器管理的主要区域。
 *  Java堆中还可以细分为：新生代和老年代，再细致一点有：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。不同的区域存放具有不同声明周期的对象。这样可以根据  
    不同的区域使用不同的垃圾回收算法，从而更具有针对性，从而更加高效。
 *  java-堆里面的分区：Eden，survival(from) to，老年代，各自的特点。
    
     *  Eden区  
        Eden区位于Java堆的年轻代，是新对象分配内存的地方，由于堆是所有线程共享的，因此在堆上分配内存需要加锁。而Sun JDK为提升效率，会为每个新建的线程在Eden上分配一块独立的空间由该线程独享，这块空间称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer）。在TLAB上分配内存不需要加锁，因此JVM在给线程中的对象分配内存时会尽量在TLAB上分配。如果对象过大或TLAB用完，则仍然在堆上进行分配。如果Eden区内存也用完了，则会进行一次Minor GC（young GC）。
     *  Survival from to  
        Survival区与Eden区相同都在Java堆的年轻代。Survival区有两块，一块称为from区，另一块为to区，这两个区是相对的，在发生一次Minor GC后，from区就会和to区互换。在发生Minor GC时，Eden区和Survivalfrom区会把一些仍然存活的对象复制进Survival to区，并清除内存。Survival to区会把一些存活得足够旧的对象移至年老代。
     *  年老代  
        年老代里存放的都是存活时间较久的，大小较大的对象，因此年老代使用标记整理算法。当年老代容量满的时候，会触发一次Major GC（full GC），回收年老代和年轻代中不再被使用的对象资源。
 *  线程共享的java堆可能划分出多个线程私有的分配缓冲区，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，更快的分配内存。
 *  堆的大小既可以实现固定大小的，也可以是可扩展的。主流的虚拟机都是按照可扩展的来实现的。当线程请求分配内存，但堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，将会抛出`OutOfMemoryError`。

### 方法区 ###

##### 什么是方法区？ #####

*  描述为堆的一个逻辑分区，别名：`Non-Heap`（非堆）。
 *  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。

##### 方法区特点 #####

*  线程共享，方法区是堆的一个逻辑分区，和堆一样，都是线程共享的，整个虚拟机中只有一个方法区。
 *  永久代,方法区中的信息一般需要长期存在而且它又是堆的逻辑分区，因此用堆的划分方法，我们把方法区成为老年代
 *  内存回收效率低，方法区中的信息一般需要长期存在，回收一遍内存之后可能只有少量信息无效。对方法区的内存回收的主要目标是：对常量池的回收和类型的卸载。
 *  Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，和java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定的大小或者可扩展，还可以不实现垃圾收集。

#### 什么是运行常量池？ ####

*  方法区中存放 三种数据：类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码。其中常量存储在运行时常量池中。
 *  我们一般在一个类中通过public static final来声明一个常量。这个类被编译后便生成Class文件，这个类的所有信息都存储在这个class文件中。
 *  当这个类被Java虚拟机加载后，class文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间，可以向常量池中添加新的常量。如：String类的intern()方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。
 *  运行时，常量池是方法区的一部分，自然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。

### 直接内存 ###

*  直接内存是除java虚拟机之外的内存，但也可能被java使用。
 *  在NIO中引入了一种基于通道和缓冲的IO方式。它可以通过调用本地方法直接分配Java虚拟机之外的内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象直接操作该内存，而无需先将外面内存中的数据复制到堆中再操作，从而提升了数据操作的效率。
 *  直接内存的大小不受Java虚拟机控制，但既然是内存，当内存不足时就会抛出OOM异常。

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