前言

在正式學(xué)習(xí) JVM 內(nèi)存模型之前，先注意以下幾個(gè)是問題：

JVM 內(nèi)存模型與 JAVA 內(nèi)存模型不是同一個(gè)概念。JVM 內(nèi)存模型是從運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的結(jié)構(gòu)的角度描述的概念;而 JAVA 內(nèi)存模型是從主內(nèi)存和線程私有內(nèi)存角度的描述。從以下兩張圖可以看出：

[[285399]]

​ JAVA內(nèi)存模型

​ JVM內(nèi)存模型

1. Java虛擬機(jī)總共由三大模塊組成：類加載器子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)執(zhí)行引擎本篇我們介紹第二大模塊——運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)(JVM內(nèi)存模型)。
2. 其實(shí)虛擬機(jī)的這些模塊并不是獨(dú)立的，都是相互聯(lián)系的。java 文件編譯為 class 文件，通過類加載子系統(tǒng)加載，信息再到 JVM 托管的內(nèi)存中(部分操作會(huì)與本地內(nèi)存交互)的流轉(zhuǎn)，再到垃圾回收等等，都是一系列的操作。

概覽

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)分為幾大模塊(如上圖所示)：

線程共享區(qū)：

• JAVA堆
• 方法區(qū)

線程私有區(qū)：

• JAVA棧
• 本地方法棧
• 程序計(jì)數(shù)器

本文中，我們將從以下幾個(gè)方法面來分析各個(gè)區(qū)域：

• 功能
• 存儲(chǔ)的內(nèi)容
• 是否有內(nèi)存溢出和內(nèi)存泄露
• 是否進(jìn)行垃圾回收
• 對(duì)應(yīng)的垃圾回收算法
• 垃圾回收流程
• 性能調(diào)優(yōu)

線程私有區(qū)

程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)通過該計(jì)數(shù)器的值來選擇選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼的指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)都需要依賴該區(qū)域。

通俗點(diǎn)講，該區(qū)域存放的就是一個(gè)指針，指向方法區(qū)的方法字節(jié)碼，用來存儲(chǔ)指向下一條指令的地址，也就是即將要執(zhí)行的指令代碼。

如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址;如果正在執(zhí)行的是Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空(Undefined)。

當(dāng)執(zhí)行完一行指令碼，JVM執(zhí)行引擎會(huì)更新程序計(jì)數(shù)器的值。

由于Java 虛擬機(jī)的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器(對(duì)于多核處理器來說是一個(gè)內(nèi)核)只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間的計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)?ldquo;線程私有”的內(nèi)存。(方法的調(diào)用，方法中又調(diào)用另外一個(gè)方法，正式滿足棧的“先進(jìn)先出，后進(jìn)后出”的模型)。

OutOfMemoryError：無

虛擬機(jī)棧

它描述的是java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，其生命周期與線程相同。

每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀(StackFrame)，每一個(gè)棧幀又包括局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等。方法的調(diào)用，方法中又調(diào)用另外一個(gè)方法，正式滿足棧的“先進(jìn)先出，后進(jìn)后出”的模型。即每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程。

以上都只是幾個(gè)很機(jī)械的概念，難以深入理解。下面我通過一個(gè)示例，來分析虛擬機(jī)棧的存儲(chǔ)內(nèi)容。

首先創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的程序：

package com.sunwin.robotcloud.test; 
/** 
 * Created by 追夢(mèng)1819 on 2019-11-01. 
 */ 
public class CalculateMain { 
 public int calculate(){ 
 int a = 3; 
 int b=4; 
 int c = a+b; 
 return c; 
 } 
 public static void main(String[] args) { 
 CalculateMain main = new CalculateMain(); 
 int d = main.calculate(); 
 System.out.println(d); 
 } 

對(duì)于以上程序，線程啟動(dòng)時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)給主線程 main 分配一個(gè)大的內(nèi)存空間，然后給main方法分配一個(gè)棧幀，存放該方法的局部變量;

執(zhí)行calculate()方法時(shí)又分配一個(gè)calculate()的棧幀，存放對(duì)應(yīng)方法的局部變量。

要注意的是，一個(gè)方法分配一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)存區(qū)域，即棧幀。

Java 屬于高級(jí)語言，難以直接通過代碼看出它的執(zhí)行過程。我們通過底層的字節(jié)碼，反解析出執(zhí)行的指令碼，來分析底層執(zhí)行過程。

進(jìn)入 CalculateMain.class 文件目錄，執(zhí)行命令：

將指令碼直接輸出到文件 CalculateMain.txt：

Compiled from "CalculateMain.java" 
public class com.sunwin.robotcloud.test.CalculateMain { 
 public com.sunwin.robotcloud.test.CalculateMain(); 
 Code: 
 0: aload_0 
 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 
 4: return 
 
 public int calculate(); 
 Code: 
 0: iconst_3 
 1: istore_1 
 2: iconst_4 
 3: istore_2 
 4: iload_1 
 5: iload_2 
 6: iadd 
 7: istore_3 
 8: iload_3 
 9: ireturn 
 
 public static void main(java.lang.String[]); 
 Code: 
 0: new #2 // class com/sunwin/robotcloud/test/CalculateMain 
 3: dup 
 4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V 
 7: astore_1 
 8: aload_1 
 9: invokevirtual #4 // Method calculate:()I 
 12: istore_2 
 13: getstatic #5 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 
 16: iload_2 
 17: invokevirtual #6 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V 
 20: return 
} 

先看看calculate()方法，根據(jù)以上指令，查詢JVM指令手冊(cè)，可以得到以上程序的執(zhí)行流程：

0.將int類型常量3壓入(操作數(shù))棧;

1.將int類型值3存入局部變量1(1是數(shù)組下標(biāo))，也就是在局部變量表中給a分配一塊內(nèi)存(用以存儲(chǔ)3);

2.將int類型常量4壓入(操作數(shù))棧;

3.將int類型值4存入局部變量2;

4.從局部變量1中裝載int類型值，也就是將局部變量表的值3，拿出來加載到操作數(shù)棧;

5.從局部變量2中裝載int類型值;

6.兩值相加;

7.(將數(shù)存入到操作數(shù)棧?)將int類型值7存入局部變量3;

8.從局部變量3中裝載int類型值;

9.返回計(jì)算值。

以上是方法執(zhí)行時(shí)的局部變量在內(nèi)存中的流轉(zhuǎn)過程?？偨Y(jié)就是：

操作數(shù)棧相當(dāng)于數(shù)據(jù)在操作時(shí)的臨時(shí)中轉(zhuǎn)站

局部變量表：局部變量存放空間。是一個(gè)字長為單位、從0開始計(jì)數(shù)的數(shù)組。類型為int、float、reference、retrueAddress的值，只占據(jù)一項(xiàng)。類型為byte、short、char的值存入數(shù)組前都被轉(zhuǎn)化為int值。類型為long、double的值在其中占據(jù)連續(xù)的兩項(xiàng)。索引指向第一個(gè)值即可。

不過需要注意的是，虛擬機(jī)對(duì)byte、short、char是直接支持的，只不過在局部變量表和操作數(shù)棧中是被轉(zhuǎn)化為了int值，在堆和方法區(qū)中，依然是原來的類型。

操作數(shù)棧：數(shù)據(jù)操作的臨時(shí)空間。與局部變量表類似。唯一不同的是，它并非是通過索引來訪問的，而是通過壓棧和出棧來訪問的。

動(dòng)態(tài)鏈接：存放的是方法的jvm指令碼的內(nèi)存地址，運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)生成的。

對(duì)象有對(duì)象頭，其中一個(gè)類型指針指向方法區(qū)的類元信息

方法出口：存放的是出該方法，進(jìn)入下一個(gè)方法的程序計(jì)數(shù)器的值。

JAVA棧結(jié)構(gòu)

異常情況：如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError 異常;如果虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展(當(dāng)前大部分的Java 虛擬機(jī)都可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，只不過Java 虛擬機(jī)規(guī)范中也允許固定長度的虛擬機(jī)棧)，當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常。

本地方法棧

本地方法棧其實(shí)與java虛擬機(jī)棧極其相似。唯一的區(qū)別就是java虛擬機(jī)棧是為java方法服務(wù)，本地方法棧是為本地方法服務(wù)，虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。

也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

線程共享區(qū)

方法區(qū)

該區(qū)域是存儲(chǔ)虛擬機(jī)加載的類信息(字段方法的字節(jié)碼、部分方法的構(gòu)造器)、常量、靜態(tài)變量、編譯后的代碼信息等，類的所有字段和方法字節(jié)碼。以及一些特殊方法如構(gòu)造函數(shù)，接口的代碼也在此定義。簡(jiǎn)而言之，所有定義的方法的信息都保存在該區(qū)域。靜態(tài)變量+常量+類信息(構(gòu)造方法/接口定義)+運(yùn)行時(shí)常量池都存在。

可不連續(xù)，可固定大小，可擴(kuò)展，也可不選擇垃圾回收器。垃圾回收存在在該區(qū)域，但是出現(xiàn)較少。

方法區(qū)是一種定義，概念，而永久代或者元空間是一種實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

OutOfMemoryError：有

運(yùn)行時(shí)常量池

Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池(Constant Pool Table)，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容將在類加載后進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中存放。

OutOfMemoryError：有

JAVA堆

堆是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊，它唯一的功能就是存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例。幾乎所有的對(duì)象(包含常量池)，都會(huì)在堆上分配內(nèi)存。

如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常。

垃圾回收器的主要管理區(qū)域。

該區(qū)域，從垃圾回收的角度看，又分為新生代和老年代，新生代又分為 伊甸區(qū)(Eden space)和幸存者區(qū)(Survivor pace) ，Survivor 區(qū)又分為Survivor From 區(qū)和 Survivor To 區(qū)。如下圖所示：

以上區(qū)域的大小分配是：

新生代：堆的 1/3

老年代：堆的 2/3

Eden 區(qū)： 新生代的 8/10

Survivor From 區(qū)：新生代的 1/10

Survivor To區(qū)：新生代的 1/10

如果是從內(nèi)存分配的角度來看，可以劃分多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)。

對(duì)于堆空間來說，本質(zhì)都是存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例。不過如何分區(qū)，都只是為了更好地分配和管理對(duì)象實(shí)例。關(guān)于堆空間對(duì)對(duì)象實(shí)例的管理和回收，在下一章節(jié)闡述。

同時(shí)，物理上可以不連續(xù)，但是邏輯上必須是連續(xù)的。

以下是JVM內(nèi)存模型整體結(jié)構(gòu)：

對(duì)象回收流程

下圖摘自網(wǎng)絡(luò)：

所有的類都是在伊甸區(qū)被 new 出來的，等到 Eden 區(qū)滿的時(shí)候，會(huì)觸發(fā) Minor GC，將不需要再被其他對(duì)象引用的對(duì)象進(jìn)行銷毀，將剩余的對(duì)象移動(dòng)到 From Survivor 區(qū)，每觸發(fā)一次 Minor GC，對(duì)象的分代年齡會(huì)+1(分代年齡是存放在對(duì)象頭里面的)，F(xiàn)rom Survivor 區(qū)滿的時(shí)候， From Survivor 區(qū)觸發(fā) Minor GC，未被回收的對(duì)象，分代年齡會(huì)繼續(xù)+1，會(huì)移至 to survior 區(qū)，此時(shí)Eden的未被回收的對(duì)象也是移至 To Survivor 區(qū)，To Survivor 區(qū)滿的時(shí)候，被移至 From Survivor 區(qū)，以此類推。

對(duì)象的分代年齡到15的時(shí)候，對(duì)象會(huì)進(jìn)入到老年代(靜態(tài)變量(對(duì)象類型)、數(shù)據(jù)庫連接池等)。若老年代也滿了，這個(gè)時(shí)候會(huì)產(chǎn)生 Major GC(Full GC)，進(jìn)行老年區(qū)的內(nèi)存清理。若老年區(qū)執(zhí)行了 Full GC之后發(fā)現(xiàn)依然無法進(jìn)行對(duì)象的保存，就會(huì)產(chǎn)生OOM 異常 OutOfMemoryError。

注意事項(xiàng)

1. 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，版本不同，會(huì)有細(xì)微的差別，具體如下：元數(shù)據(jù)區(qū)：元數(shù)據(jù)區(qū)取代了永久代(jdk1.8以前)，本質(zhì)和永久代類似，都是對(duì)JVM規(guī)范中方法區(qū)的實(shí)現(xiàn)，區(qū)別在于元數(shù)據(jù)區(qū)并不在虛擬機(jī)中，而是使用本地物理內(nèi)存，永久代在虛擬機(jī)中，永久代邏輯結(jié)構(gòu)上屬于堆，但是物理上不屬于堆，堆大小=新生代+老年代。元數(shù)據(jù)區(qū)也有可能發(fā)生OutOfMemory異常;jdk1.6及以前：有永久代，常量池在方法區(qū);jdk1.7：有永久代，但已經(jīng)逐步“去永久代”，常量池在堆;jdk1.8及以后：無永久代，常量池在元空間(用的是計(jì)算機(jī)的直接內(nèi)存，而不是虛擬機(jī)管理的內(nèi)存)。
2. 為什么jdk1.8用元數(shù)據(jù)區(qū)取代了永久代?官方解釋：移除永久代是為融合HotSpot JVM與JRockit VM而做出的努力，因?yàn)镴Rockit沒有永久代，不需要配置永久代。(簡(jiǎn)單說，就是兩者競(jìng)爭(zhēng)，誰贏了就聽誰的。)
3. 元數(shù)據(jù)區(qū)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，默認(rèn)–XX:MetaspaceSize值為21MB的高水位線。一旦觸及則Full GC將被觸發(fā)并卸載沒有用的類(類對(duì)應(yīng)的類加載器不再存活)，然后高水位線將會(huì)重置。新的高水位線的值取決于GC后釋放的元空間。如果釋放的空間少，這個(gè)高水位線則上升。如果釋放空間過多，則高水位線下降。