JVM（Java Virtual Machine）内存模型篇

前言

本文是JVM系列的内存模型篇，参考资料为《深入理解Java虚拟机》，本文章将会以HotSpot 虚拟机为介绍基础。

1.JVM简单介绍

Java Virtual Machine是运行Java程序的基础，JVM基于C、C++实现，JVM有很多种类，但是这些虚拟机都必须按照《Java虚拟机规范》来进行实现。目前JDK使用的是HotSpot虚拟机。

2.JVM内存模型

根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域

• 程序计数器
• Java虚拟机栈
• 本地方法栈
• 方法区
• 堆

分布如下图：

3.程序计数器

程序计数器是Java中占用内存比较少的一个区域，他的作用是记录当前线程所执行的字节码的行号指令，通俗的理解就是代码执行到哪里了。

我们很容易思考到，在多线程中，是发生线程切换这种情况的，那么一个线程被切换后，它的状态就需要被记录到上下文中，方便线程能正确执行到原来的位置，那么为了记录这个位置，就需要程序计数器来进行实现

为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每个线程都需要一个独立程序计数器，各个线程之间计数器互不影响，独立存储。因此它也是“线程私有”的内存

这片区域也是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有任何OutOfMemoryError情况的区域。

4.Java虚拟机栈

Java虚拟机栈，以“栈”命名的，在内存模型中，基本都是用来处理方法的，所以Java虚拟机栈是用来处理Java语言实现的方法的。同理的，这个栈也是线程私有的。他的生命周期与线程生命周期一样长。

一个线程在调用方法的时候，会在虚拟机栈中，创建一个栈帧，这个栈帧会存放局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。

栈帧包含以下内容：

• 局部变量表： 栈帧用于存储方法的局部变量，表中存放了编译期可知的基本数据类型和对象引用（对象引用指针或者句柄）。这些局部变量在方法调用时分配内存空间，并在方法调用结束后被释放。

• 操作数栈： 栈帧还包含一个操作数栈，用于存储方法执行时的操作数。当方法需要进行计算或操作时，操作数会被入栈或出栈。

• 动态链接： 栈帧包含指向运行时常量池中当前方法引用的指针，用于在方法中访问其他类或方法。

• 方法出口： 当方法调用完成后，程序需要返回到方法调用的地方继续执行。栈帧包含方法返回地址，用于记录返回的位置。

额外提一嘴的是当Java虚拟机栈的深度被方法调用填满的时候，就会出现StackOverFlowError；如果栈的大小动态扩展到没办法扩展的时候，会报OOM（OutOfMemoryError）的错误。

5.本地方法栈

这个栈和Java虚拟机栈是一样的功能，但是作用的对象不一样，Java虚拟机栈对应的是Java方法，而本地方法栈对应的是被Native标志的方法，这类方法一般都是C、C++代码。其他东西基本和Java虚拟机栈一致。

6.方法区

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，这块区域是用来存储已经被加载的类元信息，这些信息包含：类型信息、常量、静态变量、即使编译后的代码缓存等信息。

6.1永久代与元空间

早在JDK1.8以前，方法区使用的永久代的实现方式，而在1.8后才正式确定使用元空间。那么二者实现上有什么区别呢？？？？

最大的区别就是前者是使用的虚拟机内存，后者使用了直接内存，也就是说永久代的内存大小受JVM限制，而元空间内存大小受真实机子内存大小限制，明显后者内存大小更大，前者更容易OOM。

在方法区使用元空间后，字符串常量池也从方法区移动到了堆内存中。

6.2运行时常量池

提到方法区，就不得不提到一个叫运行时常量池的东西，它也是方法区的一部分。

一个Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

7.堆

堆内存是整个虚拟机中最大的一块，这块区域是被线程共享的，这块对象就是用来在程序执行时，大部分对象存放的地方（还有极小一部分可能会发生逃逸分析，在栈上创建和销毁）。

堆这块区域，也是最容易发生OOM的地方，原因可想而知，公共的地方，大家都来这里放东西，时间一长，没有空间也很正常，所以这块区域也是发生GC（Garbage Collected）频率最高的一个场所。（具体GC流程，下篇文章会详细介绍）

7.1 对象创建

堆中的对象（普通对象）创建过程也是比较讲究的，下面我们带着问题，一步一步理解这个过程

首先，如何创建？

很简单的，new关键字

那么问题又来了，对象创建依赖的信息从哪里来？

当Java遇到一条字节码new指令的时候，首先将去检测这个指令能否在常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那么必须先执行相应的类加载（双亲委派模型）。

对象依赖信息得到后，内存大小该如何划分分配？

当一个类被加载之后，相应的对象创建所需的内存大小也就能被确定了。那么要在堆中创建对象，就需要划分空间，JVM中有两种划分空间的方式，分别是“指针碰撞”和“空闲列表”

• 指针碰撞
  假设Java堆中内存分配绝对规整，使用过的和未使用的分成两边，只需要在边界设置指针，这个指针只需要挪动和对象大小一样的距离即可，这种就是指针碰撞
• 空闲列表
  假如Java堆内存并不规整，使用过的和未使用的都混在一起，这种情况，要分配内存就只能维护一个列表，这个列表记录了哪些内存可以使用，分配内存就需要在表中查找到足够到的区间进行分配即可，这就是空闲列表

并发下，对象创建的内存分配安全如何得到保证？

为我们所知的，堆内存是一个线程共享的，这就意味着，我们堆在划分内存大小的时候，可能会出现线程安全问题。可能出现线程1在给A分配大小的时候，还没来得及修改指针，但是线程2在创建B时，使用了这个指针，就导致了内存数据被改写了。解决这个问题有两个方式

• 加锁同步
  实际实现中虚拟机是采用CAS+失败重试的方式保证更新操作的原子性
• TLAB（Thread Local Allocation Buffer，本地缓冲区），也和ThreadLocal一样，给每个线程各自划分好区域，线程要创建对象，就在这个区域内创建就行，如果TLAB使用完了才需要进行同步锁定分配对象。如果JVM要使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定

实际上，内存分配成功之后，虚拟机还会对分配到的内存空间（不包括对象头）进行初始化工作，零值处理。这步操作是为了保证对象实例字段在Java代码中可以不赋值就能直接使用。

经历以上步骤，对象创建后，对象还需要设置什么？

需要设置“对象属于哪个类的实例”、“类的元数据信息“”、“对象hash码（实际调用Object::hashCode才会生成）”、“GC分代年龄”，这些信息都被描述在对象头中

最终

在上面工作都完成后，看似一个对象已经被创建了，但实际上，整个生命过程还差一步，即初始化，构造函数中的初始化工作还没有被真正执行，也就是 < init > ()方法，所以值都是默认为零值的，所以当构造函数执行完成后，一个对象就被完成创建了。

7.2 对象的内存布局

在了解一个对象的创建过程后，我们来看看，一个对象内部布局是如何的，直接看下图：

对象头：这部分包含了两部分信息

• 第一部分：HashCode、GC分代年龄、锁状态标记、线程持有的锁、偏向锁ID、偏向锁时间戳等信息等，这部分信息官方称之为：Mark Word，这部分数据在32位和64位虚拟机（未开启指针压缩）中分别占用32bit和64bit。
• 第二部分：类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。如果是数组对象，对象头中还会记录数组长度，如果不是则无记录。

实例数据：这部分数据是对象真正存储的有效信息

对齐填充：这部分的内容不是必然存在的，也没有特殊含义，这部分的主要作用就是保证这个对象大小是8字节的整数倍，差多少，尽可能补多少。

JVM执行流程

• 代码编译：Java源代码通过Java编译器（javac）编译成字节码文件（.class文件）。

• 类加载：JVM的类加载器将字节码文件加载到内存中，并进行校验、准备、解析等处理。

• 内存分配：JVM为加载的类分配内存，包括方法区、堆、栈等。

• 初始化：JVM对类进行初始化，包括静态变量的赋值、静态代码块的执行等。

• 执行：JVM开始执行字节码指令，逐行读取字节码文件并执行。这个执行过程交给执行引擎将字节码翻译成CPU指令交给操作系统去执行

• …

END 以上是本文全部内容，希望对你有所帮助