JVM-内存结构详解

比眉伴天荒 2024-05-24 01:36 56阅读 0赞

> 本文介绍JVM 内存结构

#### 文章目录 ####

*  前言
 *   *  什么是JVM？
     *  JRE/JDK/JVM是什么关系？
     *  为什么需要JVM？
 *  JVM内存结构
 *   *  程序计数器
     *  Java虚拟机栈
     *   *  局部变量表
         *  操作数栈
         *  动态连接
         *  方法出口
     *  本地方法栈
     *  方法区
     *  堆内存

参考链接：

*  https://javaguide.cn/java/jvm/memory-area.html
 *  [JVM内存区域][JVM]
 *  https://blog.csdn.net/mf97532/article/details/117792466

## 前言 ##

### 什么是JVM？ ###

JVM是**Java Virtual Machine**的缩写，通俗来说也就是运行java代码的容器。

JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。

### JRE/JDK/JVM是什么关系？ ###

**JRE**(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)，也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序，安装JRE即可。

**JDK**(Java Development Kit)是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是 安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。

**JVM**(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是**跨平台运行**。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。

### 为什么需要JVM？ ###

Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

Java的执行过程整体可以分为两个部分：

*  第一步由javac将**源码编译成字节码**，在这个过程中会进行词法分析、语法分析、语义分析，编译原理中这部分的编译称为前端编译。
 *  接下来无需编译直接逐条将字节码解释执行，在解释执行的过程中，虚拟机同时对程序运行的信息进行收集，在这些信息的基础上，编译器会逐渐发挥作用，它会进行后端编译——把字节码编译成机器码，但不是所有的代码都会被编译，只有被JVM认定为的热点代码，才可能被编译。  
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## JVM内存结构 ##

![在这里插入图片描述][b8d3651a23dc49008dc6ed418c2be889.png]

### 程序计数器 ###

**程序计数器**（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的**行号指示器**。

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，它是程序控制流的指示器，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、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（对于多核处理器来说是一个内核）都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，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，**各条线程之间计数器互不影响，独立存储**，我们称这类内存区域为“**线程私有**”的内存。

《Java 虚拟机规范》中规定，如果线程执行的是非本地（native）方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令地址；如果线程执行的是本地方法，则程序计数器中的值是 undefined。

> 注意：  
> 由于程序计数器中**存储的数据所占的空间不会随程序的执行而发生大小上的改变**，因此，程序计数器是不会发生内存溢出现象（OutOfMemory）的。它的**生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。**

### Java虚拟机栈 ###

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也为线程私有，它描述的是 Java 方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java 虚拟机都会同步创建一个栈帧，用于存储**局部变量表、操作数栈、动态连接**、方法出口等信息。方法从调用到结束就对应着一个栈帧从入栈到出栈的过程。

**解释栈帧（interpreted frame）**：  
![在这里插入图片描述][762e3b2cae394f929110c110f671b207.png]

栈帧有两个主要的组成部分，分别是**局部变量区，以及字节码的操作数栈**。这里的局部变量是广义的，除了普遍意义下的局部变量之外，它还包含实例方法的“this 指针”以及方法所接收的参数。

#### 局部变量表 ####

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局部变量表（Local Variable Table）是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量

在 Java 虚拟机规范中，局部变量区等价于一个数组，并且可以用正整数来索引。除了 long、double 值需要用两个数组单元来存储之外，其他基本类型以及引用类型的值均占用一个数组单元。  
注意：

*  boolean、byte、char、short 这四种类型，在栈上占用的空间和 int 是一样的，和引用类型也是一样的。因此，在 32 位的 HotSpot 中，这些类型在栈上将占用 4 个字节；而在 64 位的 HotSpot 中，他们将占 8 个字节。
 *  当然，这种情况仅存在于局部变量，而并不会出现在存储于堆中的字段或者数组元素上。对于 byte、char 以及 short 这三种类型的字段或者数组单元，它们在堆上占用的空间分别为一字节、两字节，以及两字节，也就是说，跟这些类型的值域相吻合。

#### 操作数栈 ####

操作数栈(Operand Stack)也常称为操作栈，它是一个后入先出栈(LIFO)。同局部变量表一样，操作数栈的最大深度也在编译的时候写入到方法的Code属性的max\_stacks数据项中。

操作数栈的每一个元素可以是任意Java数据类型，32位的数据类型占一个栈容量，64位的数据类型占2个栈容量,且在方法执行的任意时刻，操作数栈的深度都不会超过max\_stacks中设置的最大值。

当一个方法刚刚开始执行时，其操作数栈是空的，随着方法执行和字节码指令的执行，会从局部变量表或对象实例的字段中复制常量或变量写入到操作数栈，再随着计算的进行将栈中元素出栈到局部变量表或者返回给方法调用者，也就是出栈/入栈操作。一个完整的方法执行期间往往包含多个这样出栈/入栈的过程。

#### 动态连接 ####

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每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。

Class文件的常量池中存有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池里指向方法的符号引用作为参数。

*  静态解析：在类加载阶段中的解析阶段会将符号引用转为直接引用，这种转化也称为静态解析。
 *  动态连接：被调用的目标方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期将方法的符号引用转换为直接引用，这种引用转换的过程具备动态性，称为动态链接。

#### 方法出口 ####

有两种方式退出方法：

*  **方法返回指令** ： 执行引擎遇到一个方法返回的字节码指令，这时候有可能会有返回值传递给上层的方法调用者，这种退出方式称为正常完成出口。没有抛出任何异常(包括Java虚拟机异常以及执行时通过throw语句显示抛出的异常)。  
    如果当前方法正常完成，则根据当前方法返回的字节码指令，这时有可能会有返回值传递给方法调用者(调用它的方法)，或者无返回值。具体是否有返回值以及返回值的数据类型将根据该方法返回的字节码指令确定。
 *  **异常退出** ： 在方法执行过程中遇到了异常，并且没有处理这个异常，就会导致方法退出。无论是Java虚拟机内部产生的异常，还是代码中使用throw字节码指令产生的异常，只要在本方法的异常表中没有搜  
    索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，这种退出方法的方式称为“异常调用完成”。

### 本地方法栈 ###

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈类似，其区别在于：Java 虚拟机栈是为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

### 方法区 ###

![在这里插入图片描述][fe69d22bda594edc8979277a6c4bddf2.png]

方法区（Method Area）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**类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据**。方法区也被称为 “**非堆**”，目的是与 Java 堆进行区分。《Java 虚拟机规范》规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

**运行时常量池**（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存放常量池表（Constant Pool Table），常量池表中存放了编译期生成的各种符号字面量和符号引用。

### 堆内存 ###

![在这里插入图片描述][6da8132eed514081ad7a0569e0081936.png]  
堆主要分为2个区域-新生代与老年代，新生代包括Eden 区和 Survivor 区，Survivor 区又分From区和 To区，大部分我们创建的对象，都属于**生命周期比较短**的，所以会存放在新生代，我们创建的对象优先在 Eden 分配。

Survivor分成from和to的目的是为了解决碎片化的问题。

1.  **对象优先在Eden区分配**：大多数情况下，对象在新生代Eden上分配，当Eden空间不够时，发起MinorGC。
2.  **大对象直接进入老年代**：大对象是指需要连续内存空间的对象，最典型的大对象是那种很长的字符串以及数组。经常出现大对象会提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间分配给大对象。-XX:PretenureSizeThreshold，大于此值的对象直接在老年代分配，避免在 Eden 和 Survivor 之间的大量内存复制。
3.  **长期存活的对象进入老年代**：为对象定义年龄计数器，对象在 Eden 出生并经过 Minor GC 依然存活，将移动到 Survivor 中，年龄就增加 1 岁，增加到一定年龄则移动到老年代中。-XX:MaxTenuringThreshold 用来定义年龄的阈值，默认是 15。
4.  **动态对象年龄判定**：虚拟机并不是永远要求对象的年龄必须达到 MaxTenuringThreshold 才能晋升老年代，如果在 Survivor 中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半，则年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代，无需等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年龄。  
    ![在这里插入图片描述][04de75d8a5ce428b83321f807089edb8.png]
5.  **空间分配担保**：每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置,如果false则进行Full GC。  
    ![在这里插入图片描述][5027069931104a429c0cce76828903e4.png]

[JVM]: https://tobebetterjavaer.com/jvm/neicun-jiegou.html
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