Java基础知识强化100：JVM 内存模型

一、 JVM内存模型总体架构图：

 方法区和堆由所有线程共享，其他区域都是线程私有的

二、 JVM内存模型的结构分析：

1. 类装载器（classLoader）

类装载器，它是在java虚拟机中用途是把类从本地文件中装载到系统内存（运行时数据区）中。

类装载器装载本地文件到系统内存中的步骤：

　　• 装载 ：查找并装载类的二进制数据。

　　• 链接 ：执行验证 准备 解析（非必要）。

　　• 初始化 ：把类型变量初始化为正确的变量。

2. 运行时数据区

（1）方法区（Method Area）

　　用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等信息。

方法区是线程间共享的，当两个线程同时需要加载一个类型时，只有一个类会请求ClassLoader加载，另一个线程会等待。

对于每一个加载的类型，会在方法区中保存以下信息：

• 类及其父类的全限定名（java.lang.Object没有父类）
• 类的类型（Class or Interface）
• 访问修饰符（public, abstract, final）
• 实现的接口的全限定名的列表
• 常量池
• 字段信息
• 方法信息
• 除常量外的静态变量
• 一个到ClassLoader的引用
• 一个到Class类的引用

对于每一个字段，会在方法区中保存以下信息（字段声明顺序也会保存）：

• 字段名
• 字段的类型
• 字段的修饰符（public, private , protected, static, final, volatile, transient）

对于每一个方法，会在方法区中保存以下信息（方法声明顺序也会保存）：

• 方法名
• 方法返回类型（或void）
• 参数信息
• 方法修饰符（public, private, protected , static, final, synchronized, native, abstract）

如果方法不是抽象方法并不是本地方法（Native Method），还会保存以下信息：

• 方法的字节码
• 本地变量表及操作数栈的大小
• 异常表

（2）堆（Heap）

　  虚拟机中用于存放对象与数组实例的地方，垃圾回收的主要区域就是这里（还可能有方法区）。如果垃圾收集算法采用按代收集（目前大都是这样），这部分还可以细分为新生代和老年代。新生代又可能分为Eden区，From Survivor区和To Survivor区，主要是为了垃圾回收。所有的线程共享Java堆，在这里还可以划分线程私有的缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。Java堆只要求逻辑上是连续的，在物理空间上可以不连续。

新生代用于存放刚创建的对象以及年轻的对象，如果对象一直没有被回收，生存得足够长，老年对象就会被移入老年代。
新生代又可进一步细分为eden、survivorSpace0(s0,from space)、survivorSpace1(s1,to space)。刚创建的对象都放入eden,s0和s1都至少经过一次GC并幸存。如果幸存对象经过一定时间仍存在，则进入老年代(tenured)。

（3）程序计数器（Program Couter Register）

　　它总是指向下一条要执行的指令地址。

      类似于PC寄存器，是一块较小的内存区域，通过程序计数器中的值寻找要执行的指令的字节码，由于多线程间切换时要恢复每一个线程的当前执行位置，所以每个线程都有自己的程序计数器。这一个区域不会有OutOfMemeryError。当执行Java方法时，这里存储的执行的指令的地址，如果执行的是本地方法，这里的值是Undefined。

　

（4）虚拟机栈（VM Stack）

　　虚拟机栈是线程私有的，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。

　　如果请求的栈的深度过大，虚拟机可能会抛出StackOverflowError异常，如果虚拟机的实现中允许虚拟机栈动态扩展，当内存不足以扩展栈的时候，会抛出OutOfMemoryError异常。

 

（5）栈帧（Stack Frame）

     栈帧分为三部分：局部变量区（Local Variables）、操作数栈（Operand Stack）和帧数据区（Frame Data）。

• 局部变量区（Loca Variables）

     局部变量区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。

• 操作数栈（Operand Stack）

     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。操作数栈也被组织为一个字数组，但不同于局部变量区，它不是通过数组下标访问的，而是能过栈的Push和Pop操作，前一个操作Push进的数据可以被下一个操作Pop出来使用。

• 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。

这部分的作用主要有三部分：

• 常量池中数据的解析

• 方法执行完后处理方法返回，恢复调用方现场

• 方法执行过程中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

（6）本地方法栈（Native Method Stack）

和虚拟机栈功能相似，但管理的不是JAVA方法，是本地方法，本地方法是用C实现的。

任何本地方法接口都会使用本地方法栈

Java调用本地方法和Java方法的执行示例：

（7）直接内存

       直接内存并不是虚拟机内存的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。jdk1.4中新加入的NIO，引入了通道与缓冲区的IO方式，它可以调用Native方法直接分配堆外内存，这个堆外内存就是本机内存，不会影响到堆内存的大小。

3. 执行引擎

　　把内存中的数据根据指令集合执行对应的操作。

三、小结：

1. 方法区和堆区是线程间共享的

（1）所有的jvm实例都有一个方法区和堆区，它们是jvm实例中所有的线程共享的，所以其中的数据要考虑到锁的问题。

（2）如果两个线程同时用到一个对象，并且该对象没有加载到内存中，那么只能有一个线程来加载该类，另一个线程等待。

2. Java栈和PC寄存器是线程内共享的

3. 对象的访问

首先我们看这样一句简单的代码：

 Object obj = new Object();

       假设上面这句代码出现在方法体中，其中"Object obj" 这部分的语义将会反映到Java栈的本地变量表中，作为一个引用类型数据出现。而"new Object()"这部分的语义将会反映到Java堆之中，形成一块存储了Object类型所有实例数据值（Instance Data：对象中各个实例字段的数据）的结构化内存。根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布局（Object Memory Layout）的不同，这块内存的长度是不固定的。

       另外，在Java堆中还必须包含能查找此对象类型数据（如：对象类型，父类，实现接口，方法等）的地址信息，这些类型数据则存储在方法区之中。

（1）使用句柄访问方式：Java堆之中将会划分一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息，如图：

（2）直接指针访问方式：reference变量中直接存储的就是对象的地址，而java堆对象一部分存储了对象实例数据，另外一部分存储了对象类型数据。如图：

这两种访问对象的方式各有优势，使用句柄访问方式最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象移动时只需要改变句柄中的实例数据指针，而reference不需要改变。使用指针访问方式最大好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销，就虚拟机而言，它使用的是第二种方式(直接指针访问)。