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JVM内存模型

一、内存模型

​ Java内存模型,往往是指Java程序在运行时内存的模型,而Java代码是运行在Java虚拟机之上的,由Java虚拟机通过解释执行(解释器)或编译执行(即时编译器)来完成,故Java内存模型,也就是指Java虚拟机的运行时内存模型。

​ 作为Java开发人员来说,并不需要像C/C++开发人员,需要时刻注意内存的释放,而是全权交给虚拟机去管理,那么有就必要了解虚拟机的运行时内存是如何构成的。运行时内存模型,分为线程私有和共享数据区两大类,其中线程私有的数据区包含程序计数器、虚拟机栈、本地方法区,所有线程共享的数据区包含Java堆、方法区,在方法区内有一个常量池。
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(1)线程私有区:

  • 程序计数器,记录正在执行的虚拟机字节码的地址;
  • 虚拟机栈:方法执行的内存区,每个方法执行时会在虚拟机栈中创建栈帧;
  • 本地方法栈:虚拟机的Native方法执行的内存区;

(2)线程共享区:

  • Java堆:对象分配内存的区域;

  • 方法区:存放类信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等数据;

  • 常量池:存放编译器生成的各种字面量和符号引用,是方法区的一部分。

    对于大多数的程序员来说,Java内存比较流行的说法便是堆和栈,这其实是非常粗略的一种划分,这种划分的”堆”对应内存模型的Java堆,”栈”是指虚拟机栈,然而Java内存模型远比这更复杂,想深入了解Java的内存,还是有必要明白整个内存模型。

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有图可以看出:Java代码被编译器编译成字节码之后,JVM开辟一片内存空间(也叫运行时数据区),通过类加载器加到到运行时数据区来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息,在这个数据区中,它由以下几部分组成:

二、 详细模型

​ 运行时内存分为五大块区域(常量池属于方法区,算作一块区域),前面简要介绍了每个区域的功能,那接下来再详细说明每个区域的内容,Java内存总体结构图如下:

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2.1 程序计数器PC(Program Counter Register)

程序计数器PC,当前线程所执行的字节码行号指示器。每个线程都有自己计数器,是私有内存空间,该区域是整个内存中较小的一块。

当线程正在执行一个Java方法时,PC计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码的地址;当线程正在执行的一个Native方法时,PC计数器则为空(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。

2.2 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)

​ 虚拟机栈,线程私有的,生命周期与线程相同,是Java方法执行的内存模型。每个方法(不包含native方法)执行的同时都会创建一个栈帧结构(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。方法执行过程,对应着虚拟机栈的入栈到出栈的过程。

栈帧(Stack Frame)结构

​ 栈帧是用于支持虚拟机进行方法执行的数据结构,是属性运行时数据区的虚拟机站的栈元素。见上图, 栈帧包括:

  • 局部变量表/本地变量表 (locals大小,编译期确定),一组变量存储空间, 容量以slot为最小单位。

  • 操作栈(stack大小,编译期确定),操作栈元素的数据类型必须与字节码指令序列严格匹配

  • 动态连接, 指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用,为了 动态连接使用。

    前面的解析过程其实是静态解析;
    对于运行期转化为直接引用,称为动态解析。

  • 方法返回地址

    正常退出,执行引擎遇到方法返回的字节码,将返回值传递给调用者
    异常退出,遇到Exception,并且方法未捕捉异常,那么不会有任何返回值。

  • 额外附加信息,虚拟机规范没有明确规定,由具体虚拟机实现。

因此,一个栈帧的大小不会受到

异常(Exception)

Java虚拟机规范规定该区域有两种异常:

  • StackOverFlowError:当线程请求栈深度超出虚拟机栈所允许的深度时抛出
  • OutOfMemoryError:当Java虚拟机动态扩展到无法申请足够内存时抛出

通常来说栈存放的是局部变量,包括:
– 保存基本数据类型的值
– 保存对象的引用

2.3 本地方法栈

​ 本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法提供内存空间,而前面讲的虚拟机栈式为Java方法提供内存空间。有些虚拟机的实现直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一,比如非常典型的Sun HotSpot虚拟机。

异常(Exception):Java虚拟机规范规定该区域可抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError。

2.4 Java堆

Java堆,是Java虚拟机管理的最大的一块内存,也是GC的主战场,里面存放的是几乎所有的对象实例和数组数据。JIT编译器有栈上分配、标量替换等优化技术的实现导致部分对象实例数据不存在Java堆,而是栈内存。

  • 从内存回收角度,Java堆被分为新生代和老年代;这样划分的好处是为了更快的回收内存;
  • 从内存分配角度,Java堆可以划分出线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB);这样划分的好处是为了更快的分配内存;

对象创建的过程是在堆上分配着实例对象,那么对象实例的具体结构如下:

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​ 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。

​ 另外,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.

异常(Exception):Java虚拟机规范规定该区域可抛出OutOfMemoryError。

2.5 方法区

​ 方法区主要存放的是已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等数据。GC在该区域出现的比较少。

异常(Exception):Java虚拟机规范规定该区域可抛出OutOfMemoryError。

2.6 运行时常量池

​ 运行时常量池也是方法区的一部分,用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用。运行时常量池除了编译期产生的Class文件的常量池,还可以在运行期间,将新的常量加入常量池,比较常见的是String类的intern()方法。

  • 字面量:与Java语言层面的常量概念相近,包含文本字符串、声明为final的常量值等。
  • 符号引用:编译语言层面的概念,包括以下3类:
    • 类和接口的全限定名
    • 字段的名称和描述符
    • 方法的名称和描述符

但是该区域不会抛出OutOfMemoryError异常。

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