深入理解JVM内存模型

开门见山，jvm内存模型主要包括Java 堆、Java 虚拟机栈、本地方法栈、方法区、程序计数器；下面为各位看官详细解说。

JVM的逻辑内存模型图：

先用表格简单比较下，下面再逐一详述。

名称

特征

作用

配置参数

异常

java堆

线程共享，生命周期与虚拟机相同，可以不使用连续的内存地址

保存对象实例，所有对象实例（包括数组）都要在堆上分配

-Xms

-Xsx

-Xmn

OutOfMemoryError

Java虚拟机栈

线程私有，生命周期与线程相同，使用连续的内存空间

Java 方法执行的内存模型，存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息

-Xss

StackOverflowError

OutOfMemoryError

本地方法栈

为虚拟机使用到的Native方法服务

StackOverflowError

OutOfMemoryError

方法区

线程共享，生命周期与虚拟机相同，可以不使用连续的内存地址

存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据

-XX:PermSize:

16M

-XX:MaxPermSize

64M

OutOfMemoryError

程序计数器

占用内存小，线程私有，

生命周期与线程相同

大致为字节码行号指示器

无

无

Java 堆

• 堆是什么？

堆是用来存放对象的内存空间。 几乎所有的对象都存储在堆中。

• 堆的特点

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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。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的。

• 对象创建的过程是在堆上分配实例对象，对象实例的具体结构如下：
  对于填充数据不是一定存在的，仅仅是为了字节对齐。HotSpot
  VM的自动内存管理要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。对象头本身是8的倍数，当对象的实例数据不是8的倍数，便需要填充数据来保证8字节的对齐。该功能类似于高速缓存行的对齐
  关于在堆上内存分配是并发进行的，虚拟机采用CAS加失败重试保证原子操作，或者是采用每个线程预先分配TLAB内存。

堆在虚拟机启动时创建 Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，垃圾回收的主要场所。 可以进一步细分为：新生代、老年代。
新生代又可被分为：Eden、From Survior、To Survior。
不同的区域存放具有不同生命周期的对象。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，更快的回收内存。 Java
堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。堆中的数据项位置没有固定的顺序，你可以以任何顺序插入和删除。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，但主流的虚拟机堆的大小是可扩展的，因此当线程请求分配内存，但堆已满，且内存已满无法再扩展时，就抛出OutOfMemoryError。
堆的大小可以通过-Xms(最小值)和-Xmx(最大值)参数设置，-Xms为JVM启动时申请的最小内存，默认为操作系统物理内存的1/64但小于1G，-Xmx为JVM可申请的最大内存，默认为物理内存的1/4但小于1G，默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小，可通过-XX:MinHeapFreeRation=来指定这个比列；当空余堆内存大于70%时，JVM会减小heap的大小到-Xms指定的大小，可通过XX:MaxHeapFreeRation=来指定这个比列，对于运行系统，为避免在运行时频繁调整Heap的大小，通常-Xms与-Xmx的值设成一样。

Java 虚拟机栈

• Java虚拟机栈是什么？

Java虚拟机栈是描述Java方法运行过程的内存模型。
Java虚拟机栈会为每一个即将运行的Java方法创建一块叫做“栈帧”的区域，这块区域用于存储该方法在运行过程中所需要的一些信息，这些信息包括：

1. 局部变量表 ：包含方法的参数和局部变量。局部变量区被组织一个一个从0开始的字数组，byte、short、char在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true，long和double占据两个字长。
2. 操作数栈： 操作数栈相当于cpu的通用寄存器，java虚拟机没有pc寄存器，而是使用栈，Java指令所使用操作数都是从操作数栈中得到。和局部变量区一样，操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组。但是和前者不同的是，它不是通过索引来访问，而是通过标准的栈操作——压栈和出栈—来访问的。比如，如果某个指令把一个值压入到操作数栈中，稍后另一个指令就可以弹出这个值来使用。
   虚拟机在操作数栈中存储数据的方式和在局部变量区中是一样的：如int、long、float、double、reference和returnType的存储。对于byte、short以及char类型的值在压入到操作数栈之前，也会被转换为int。
   虚拟机把操作数栈作为它的工作区——大多数指令都要从这里弹出数据，执行运算，然后把结果压回操作数栈。比如，iadd指令就要从操作数栈中弹出两个整数，执行加法运算，其结果又压回到操作数栈中。
3. 帧数据区（Frame Data）： 通常它都被用来实现常量池解析和异常处理等。主要作用有，常量池中数据的解析。处理方法返回，恢复调用方现场。抛出异常时的异常处理，存储有一个异常表，当出现异常时虚拟机查找相应的异常表看是否有对应的Catch语句，如果没有就抛出异常终止这个方法调用。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的内存空间分为“栈”和“堆”，栈中存放局部变量，堆中存放对象。
这句话不完全正确！这里的“堆”可以这么理解，但这里的“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，而每个栈帧中都拥有：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

线程私有，它的生命周期与线程相同。
每创建一个线程，虚拟机就会为这个线程创建一个虚拟机栈，虚拟机栈表示Java方法执行的内存模型，每调用一个方法，就会生成一个栈帧（Stack
Frame）用于存储方法的本地变量表、操作栈、方法出口等信息，当这个方法执行完后，就会弹出相应的栈帧。
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，局部变量表的大小在编译时期就确定下来了，在创建的时候只需分配事先规定好的大小即可。此外，在方法运行的过程中局部变量表的大小是不会发生改变的。
Java虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError和OutOfMemoryError。
a)StackOverFlowError： 若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前Java虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出StackOverFlowError异常。
b) OutOfMemoryError： 若Java虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，且当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展了，此时抛出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，而且随着线程的创建而创建，随着线程的死亡而死亡。
注：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，但内存空间可能还有很多。
而OutOfMemoryError是指当线程申请栈时发现栈已经满了，而且内存也全都用光了。

本地方法栈

本地方法栈和Java虚拟机栈实现的功能类似，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，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、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SunHotSpot 虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。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。

方法区

• 方法区是什么？

Java虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分。
方法区中存放已经被虚拟机加载的类信息、字段信息、方法信息等。简单说方法区用来存储类型的元数据信息，一个.class文件是类被java虚拟机使用之前的表现形式，一旦这个类要被使用，java虚拟机就会对其进行装载、连接（验证、准备、解析）和初始化。而装载（后的结果就是由.class文件转变为方法区中的一段特定的数据结构。这个数据结构会存储如下信息：

类型信息

  这个类型的全限定名  这个类型的直接超类的全限定名  这个类型是类类型还是接口类型  这个类型的访问修饰符  任何直接超接口的全限定名的有序列表

字段信息

  字段名  字段类型  字段的修饰符  

方法信息

  方法名  方法返回类型  方法参数的数量和类型（按照顺序）  方法的修饰符

其他信息

  除了常量以外的所有类（静态）变量  一个指向ClassLoader的指针  一个指向Class对象的指针  常量池（常量数据以及对其他类型的符号引用）

JVM为每个已加载的类型都维护一个常量池。常量池就是这个类型用到的常量的一个有序集合，包括实际的常量(string,integer,和floating
point常量)和对类型，域和方法的符号引用。池中的数据项象数组项一样，是通过索引访问的。
每个类的这些元数据，无论是在构建这个类的实例还是调用这个类某个对象的方法，都会访问方法区的这些元数据。
构建一个对象时，JVM会在堆中给对象分配空间，这些空间用来存储当前对象实例属性以及其父类的实例属性（而这些属性信息都是从方法区获得），注意，这里并不是仅仅为当前对象的实例属性分配空间，还需要给父类的实例属性分配，到此其实我们就可以回答第一个问题了，即实例化父类的某个子类时，JVM也会同时构建父类的一个对象。从另外一个角度也可以印证这个问题：调用当前类的构造方法时，首先会调用其父类的构造方法直到Object，而构造方法的调用意味着实例的创建，所以子类实例化时，父类肯定也会被实例化。
类变量被类的所有实例共享，即使没有类实例时你也可以访问它。这些变量只与类相关，所以在方法区中，它们成为类数据在逻辑上的一部分。在JVM使用一个类之前，它必须在方法区中为每个non-final类变量分配空间。

• 方法区的特点

• 线程共享 方法区是堆的一个逻辑部分，因此和堆一样，都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区。
  方法区是线程安全的。由于所有的线程都共享方法区，所以，方法区里的数据访问必须被设计成线程安全的。
• 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，我们把方法区称为老年代。
• 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 对类型的卸载。 Java虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。
  和堆一样，允许固定大小，也允许可扩展的大小，还允许不实现垃圾回收。同时，方法区也不一定是连续的，方法区可以在一个堆(甚至是JVM自己的堆)中自由分配。
• 可以通过-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 参数限制方法区的大小。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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（对于多核处理器来说是一个内核）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，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行的是一个Java 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Natvie
方法，这个计数器值则为空（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情况的区域。