JVM结构与Java内存模型

有些东西还是记下来比较好，记记随笔，欢迎批评建议。

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本来前几天在看webview的内存泄漏，然后就跟着看了一下Android的内存泄漏，发现要看懂内存泄漏就要先了解一下GC的工作机制和Java内存管理，然而要了解这部分就要先了解一下JVM的内存结构和内存分配，然后一步步的就看到了这里，所以基础还是很重要的，好吧，还是从下面一步步往上了解吧哈哈哈，所以这篇是了解了一下JVM内存的一些知识。

附上：Java虚拟机规范（JavaSE7）

• JVM结构
• JVM内存
• Java内存模型

JVM结构

Java虚拟机结构如下图主要分为四个部分：类加载器（ClassLoader）、执行引擎、内存区（运行时数据区）、本地方法接口。
（本地方法接口：主要是调用C或C++实现的本地方法及返回结果。）

JVM结构.png

Java源代码文件（.java）会被Java编译器编译为字节码文件（.class），JVM中的 类加载器加载各个类的class文件，加载完成之后会交给JVM的 执行引擎执行。

JVM内存结构

JVM在执行Java 程序的过程中操作系统会给它分配内存，这个内存区也就是上图中的运行时数据区（即JVM内存），JVM会把它所管理的这个内存区域（运行时数据区）划分为不同的数据区域，即上图显示的五个部分。

这里将运行时数据区分为线程私有的数据区和共享数据区两类。如下图：

线程私有的数据区包含PC Register（程序计数器）、JVM Stack（虚拟机栈）、Native Method Stack（本地方法栈）。
共享的数据区包含Heap（堆）、Method Area（方法区），在方法区中包含一个Runtime Constant Pool（运行时常量池）。

运行时数据区.png

1. PC Register（程序计数器）:

记录正在执行的字节码地址，可辨别当前字节码解析到了什么位置，引导字节码解析顺序，并控制程序的流程。（当前程序执行到哪然后下一步该执行什么操作。）

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。

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.JVM Stack（虚拟机栈）

JVM Stack（虚拟机栈）总是和线程关联在一起，每当创建一个线程，JVM就给它创建一个对应的JVM Stack（虚拟机栈），由此可看出JVM Stack（虚拟机栈）也是线程私有的。每个栈又包含多个栈帧，每执行一个方法就会创建一个对应的栈帧用于存储局部变量（其中包括基础数据类型、对象的引用）表、操作栈、动态链接、方法出口等信息，一个方法的调用到执行完对应一个栈帧在JVM Stack中的入栈和出栈过程。

Java虚拟机栈可能发生的异常情况：

• 如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，JVM将会抛出一个StackOverflowError异常。
• 若果Java虚拟机栈可动态扩展，并且动态扩展的动作已经尝试过，但目前无法申请到足够的内存去完成扩展，或者在建立新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，Java虚拟机会抛出一个OutOfMemoryError异常。

3. Native Method Stack（本地方法栈）

Java 虚拟机实现可能会使用到传统的栈（通常称之为“C Stacks”）来支持 native 方法（指使用 Java 以外的其他语言编写的方法）的执行，这个栈就是本地方法栈（Native Method Stack）。

本地方法栈的作用和JVM栈的作用很相似，异常情况也相似，不同的是JVM栈是为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈为虚拟机执行Native方法服务。

4. Heap（堆）

在虚拟机启动时就创建，是各线程共享的运行时内存区域，存放所有的new出来的类实例和数组对象，JVM堆一般是JVM管理的内存中最大的一块，也是垃圾收集器（GC：Garbage Collector）管理的主要区域，也称“GC堆”。

所以后面要了解的GC工作机制和内存泄漏等主要是针对这一部分的内存。

如果实际所需的堆超过了自动内存管理系统能提供的最大容量，那 Java 虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError 异常。

5. Method Area（方法区）

也是各线程共享的运行时内存区域，主要存储每一个类的结构信息，例如常量池、静态变量、构造函数等（静态数据、全局 static 数据和常量）。方法区在虚拟机启动的时候被创建，虽然方法区是堆的逻辑组成部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），简单的虚拟机实现可以选择在这个区域不实现垃圾收集（但这个内存区的内存也可被GC回收）。

如果方法区的内存空间不能满足内存分配请求，那 Java 虚拟机将抛出一个OutOfMemoryError 异常。

Runtime Constant Pool（运行时常量池）

方法区的一部分。包括了若干种不同的常量：从编译期可知的数值字面量到必须运行期解析后才能获得的方法或字段引用。在类和接口被加载到虚拟机后，对应的常量池被创建。

当创建类或接口的时候，如果构造运行时常量池所需要的内存空间超过了方法区所能提供的最大值，那 Java 虚拟机将会抛出一个 OutOfMemoryError 异常。

Java内存模型

Java内存模型即Java Memory Model，简称JMM。JMM的主要定义了Java 虚拟机(JVM)在计算机内存(RAM)中的工作方式。所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存存储了该线程以读/写共享变量的副本，线程对变量的所有操作必须在自己的工作内存中进行而不能直接读写主内存中的变量，JMM就控制了一个线程对变量的读写何时对另一个线程可见。不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要在主内存完成。

Java内存模型与上面提到的JVM运行时数据区（JVM Runtime Data Areas）两个概念容易混淆。JVM 运行时数据区定义了JVM运行期内存的管理划分，而Java内存模型定义了程序中各个共享变量的访问规则。

JMM规定了主内存与工作内存间变量访问的细节（即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现），通过保障原子性、有序性、可见行来实现线程的有效协同和数据安全。

JMM规定了以下8中操作来实现主内存与工作内存之间的具体交互协议：

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
• unlock（解锁）：作用于主内存变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
• read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
• load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
• use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
• store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。