Java基础知识强化100：JVM内存模型

一、 JVM内存模型总体架构图&＃xff1a;

 方法区和堆由所有线程共享&＃xff0c;其他区域都是线程私有的

二、 JVM内存模型的结构分析&＃xff1a;

1. 类装载器&＃xff08;classLoader&＃xff09;

类装载器&＃xff0c;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&＃xff08;运行时数据区&＃xff09;中。

类装载器装载本地文件到系统内存中的步骤&＃xff1a;

　　• 装载 &＃xff1a;查找并装载类的二进制数据。

　　• 链接 &＃xff1a;执行验证 准备 解析&＃xff08;非必要&＃xff09;。

　　• 初始化 &＃xff1a;把类型变量初始化为正确的变量。

2. 运行时数据区

&＃xff08;1&＃xff09;方法区&＃xff08;Method Area&＃xff09;

　　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&＃xff0c;当两个线程同时需要加载一个类型时&＃xff0c;只有一个类会请求ClassLoader加载&＃xff0c;另一个线程会等待。

对于每一个加载的类型&＃xff0c;会在方法区中保存以下信息&＃xff1a;

• 类及其父类的全限定名&＃xff08;java.lang.Object没有父类&＃xff09;
• 类的类型&＃xff08;Class or Interface&＃xff09;
• 访问修饰符&＃xff08;public, abstract, final&＃xff09;
• 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&＃xff0c;会在方法区中保存以下信息&＃xff08;字段声明顺序也会保存&＃xff09;&＃xff1a;

• 字段名
• 字段的类型
• 字段的修饰符&＃xff08;public, private , protected, static, final, volatile, transient&＃xff09;

对于每一个方法&＃xff0c;会在方法区中保存以下信息&＃xff08;方法声明顺序也会保存&＃xff09;&＃xff1a;

• 方法名
• 方法返回类型&＃xff08;或void&＃xff09;
• 参数信息
• 方法修饰符&＃xff08;public, private, protected , static, final, synchronized, native, abstract&＃xff09;

如果方法不是抽象方法并不是本地方法&＃xff08;Native Method&＃xff09;&＃xff0c;还会保存以下信息&＃xff1a;

• 方法的字节码
• 本地变量表及操作数栈的大小
• 异常表

&＃xff08;2&＃xff09;堆&＃xff08;Heap&＃xff09;

　  虚拟机中用于存放对象与数组实例的地方&＃xff0c;垃圾回收的主要区域就是这里&＃xff08;还可能有方法区&＃xff09;。如果垃圾收集算法采用按代收集&＃xff08;目前大都是这样&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff0c;From Survivor区和To Survivor区&＃xff0c;主要是为了垃圾回收。所有的线程共享Java堆&＃xff0c;在这里还可以划分线程私有的缓冲区&＃xff08;Thread Local Allocation Buffer&＃xff0c;TLAB&＃xff09;。Java堆只要求逻辑上是连续的&＃xff0c;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&＃xff0c;如果对象一直没有被回收&＃xff0c;生存得足够长&＃xff0c;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&＃xff0c;则进入老年代(tenured)。

&＃xff08;3&＃xff09;程序计数器&＃xff08;Program Couter Register&＃xff09;

　　它总是指向下一条要执行的指令地址。

      类似于PC寄存器&＃xff0c;是一块较小的内存区域&＃xff0c;通过程序计数器中的值寻找要执行的指令的字节码&＃xff0c;由于多线程间切换时要恢复每一个线程的当前执行位置&＃xff0c;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&＃xff0c;这里存储的执行的指令的地址&＃xff0c;如果执行的是本地方法&＃xff0c;这里的值是Undefined。

&＃xff08;4&＃xff09;虚拟机栈&＃xff08;VM Stack&＃xff09;

　　虚拟机栈是线程私有的&＃xff0c;每创建一个线程&＃xff0c;虚拟机就会为这个线程创建一个虚拟机栈&＃xff0c;虚拟机栈表示Java方法执行的内存模型&＃xff0c;每调用一个方法&＃xff0c;就会生成一个栈帧&＃xff08;Stack Frame&＃xff09;用于存储方法的本地变量表、操作栈、方法出口等信息&＃xff0c;当这个方法执行完后&＃xff0c;就会弹出相应的栈帧。

　　如果请求的栈的深度过大&＃xff0c;虚拟机可能会抛出StackOverflowError异常&＃xff0c;如果虚拟机的实现中允许虚拟机栈动态扩展&＃xff0c;当内存不足以扩展栈的时候&＃xff0c;会抛出OutOfMemoryError异常。

&＃xff08;5&＃xff09;栈帧&＃xff08;Stack Frame&＃xff09;

     栈帧分为三部分&＃xff1a;局部变量区&＃xff08;Local Variables&＃xff09;、操作数栈&＃xff08;Operand Stack&＃xff09;和帧数据区&＃xff08;Frame Data&＃xff09;。

• 局部变量区&＃xff08;Loca Variables&＃xff09;

     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&＃xff0c;byte、short、char在存储前被转换为int&＃xff0c;boolean也被转换为int&＃xff0c;0表示false&＃xff0c;非0表示true&＃xff0c;long和double占据两个字长。

• 操作数栈&＃xff08;Operand Stack&＃xff09;

     操作数栈相当于cpu的通用寄存器&＃xff0c;java虚拟机没有pc寄存器&＃xff0c;而是使用栈&＃xff0c;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&＃xff0c;但不同于局部变量区&＃xff0c;它不是通过数组下标访问的&＃xff0c;而是能过栈的Push和Pop操作&＃xff0c;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&＃xff08;Frame Data&＃xff09;

    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&＃xff1a;

• 常量池中数据的解析

• 方法执行完后处理方法返回&＃xff0c;恢复调用方现场

• 方法执行过程中抛出异常时的异常处理&＃xff0c;存储有一个异常表&＃xff0c;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&＃xff0c;如果没有就抛出异常终止这个方法调用

&＃xff08;6&＃xff09;本地方法栈&＃xff08;Native Method Stack&＃xff09;

和虚拟机栈功能相似&＃xff0c;但管理的不是JAVA方法&＃xff0c;是本地方法&＃xff0c;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&＃xff1a;

&＃xff08;7&＃xff09;直接内存

       直接内存并不是虚拟机内存的一部分&＃xff0c;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&＃xff0c;引入了通道与缓冲区的IO方式&＃xff0c;它可以调用Native方法直接分配堆外内存&＃xff0c;这个堆外内存就是本机内存&＃xff0c;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&＃xff1a;

1. 方法区和堆区是线程间共享的

&＃xff08;1&＃xff09;所有的jvm实例都有一个方法区和堆区&＃xff0c;它们是jvm实例中所有的线程共享的&＃xff0c;所以其中的数据要考虑到锁的问题。

&＃xff08;2&＃xff09;如果两个线程同时用到一个对象&＃xff0c;并且该对象没有加载到内存中&＃xff0c;那么只能有一个线程来加载该类&＃xff0c;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&＃xff1a;

       假设上面这句代码出现在方法体中&＃xff0c;其中"Object obj" 这部分的语义将会反映到Java栈的本地变量表中&＃xff0c;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&＃xff0c;形成一块存储了Object类型所有实例数据值&＃xff08;Instance Data&＃xff1a;对象中各个实例字段的数据&＃xff09;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&＃xff08;Object Memory Layout&＃xff09;的不同&＃xff0c;这块内存的长度是不固定的。

       另外&＃xff0c;在Java堆中还必须包含能查找此对象类型数据&＃xff08;如&＃xff1a;对象类型&＃xff0c;父类&＃xff0c;实现接口&＃xff0c;方法等&＃xff09;的地址信息&＃xff0c;这些类型数据则存储在方法区之中。

&＃xff08;1&＃xff09;使用句柄访问方式&＃xff1a;Java堆之中将会划分一块内存来作为句柄池&＃xff0c;reference中存储的就是对象的句柄地址&＃xff0c;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&＃xff0c;如图&＃xff1a;

&＃xff08;2&＃xff09;直接指针访问方式&＃xff1a;reference变量中直接存储的就是对象的地址&＃xff0c;而java堆对象一部分存储了对象实例数据&＃xff0c;另外一部分存储了对象类型数据。如图&＃xff1a;

这两种访问对象的方式各有优势&＃xff0c;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&＃xff0c;在对象移动时只需要改变句柄中的实例数据指针&＃xff0c;而reference不需要改变。使用指针访问方式最大好处就是速度快&＃xff0c;它节省了一次指针定位的时间开销&＃xff0c;就虚拟机而言&＃xff0c;它使用的是第二种方式(直接指针访问)。