JVM内存结构 VS Java内存模型 VS Java对象模型
转载自：JVM内存结构 VS Java内存模型 VS Java对象模型 Hollis
Java作为一种面向对象的，跨平台语言，其对象、内存等一直是比较难的知识点。而且很多概念的名称看起来又那么相似，很多人会傻傻分不清楚。比如本文我们要讨论的JVM内存结构、Java内存模型和Java对象模型，这就是三个截然不同的概念，但是很多人容易弄混。
可以这样说，很多高级开发甚至都搞不不清楚JVM内存结构、Java内存模型和Java对象模型这三者的概念及其间的区别。甚至我见过有些面试官自己也搞的不是太清楚。不信的话，你去网上搜索Java内存模型，还会有很多文章的内容其实介绍的是JVM内存结构。
首先，这三个概念是完全不同的三个概念。本文主要对这三个概念加以区分以及简单介绍。其中每一个知识点都可以单独写一篇文章，本文并不会深入介绍，感兴趣的朋友可以加入我的知识星球和球友们共同学习。
JVM内存结构
我们都知道，Java代码是要运行在虚拟机上的，而虚拟机在执行Java程序的过程中会把所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，这些区域都有各自的用途。
其中有些区域随着虚拟机进程的启动而存在，而有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。在《Java虚拟机规范（Java SE 8）》中描述了JVM运行时内存区域结构如下：
各个区域的功能不是本文重点，就不在这里详细介绍了。这里简单提几个需要特别注意的点：
1、以上是Java虚拟机规范，不同的虚拟机实现会各有不同，但是一般会遵守规范。
2、规范中定义的方法区，只是一种概念上的区域，并说明了其应该具有什么功能。但是并没有规定这个区域到底应该处于何处。所以，对于不同的虚拟机实现来说，是有一定的自由度的。
3、不同版本的方法区所处位置不同，上图中划分的是逻辑区域，并不是绝对意义上的物理区域。因为某些版本的JDK中方法区其实是在堆中实现的。
4、运行时常量池用于存放编译期生成的各种字面量和符号应用。但是，Java语言并不要求常量只有在编译期才能产生。比如在运行期，String.intern也会把新的常量放入池中。
5、除了以上介绍的JVM运行时内存外，还有一块内存区域可供使用，那就是直接内存。Java虚拟机规范并没有定义这块内存区域，所以他并不由JVM管理，是利用本地方法库直接在堆外申请的内存区域。
6、堆和栈的数据划分也不是绝对的，如HotSpot的JIT会针对对象分配做相应的优化。
如上，做个总结，JVM内存结构，由Java虚拟机规范定义。描述的是Java程序执行过程中，由JVM管理的不同数据区域。各个区域有其特定的功能。
Java内存模型
Java内存模型看上去和Java内存结构（JVM内存结构）差不多，很多人会误以为两者是一回事儿，这也就导致面试过程中经常答非所为。
在前面的关于JVM的内存结构的图中，我们可以看到，其中Java堆和方法区的区域是多个线程共享的数据区域。也就是说，多个线程可能可以操作保存在堆或者方法区中的同一个数据。这也就是我们常说的“Java的线程间通过共享内存进行通信”。
Java内存模型是根据英文Java Memory Model（JMM）翻译过来的。其实JMM并不像JVM内存结构一样是真实存在的。他只是一个抽象的概念。JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification 中描述了，JMM是和多线程相关的，他描述了一组规则或规范，这个规范定义了一个线程对共享变量的写入时对另一个线程是可见的。
那么，简单总结下，Java的多线程之间是通过共享内存进行通信的，而由于采用共享内存进行通信，在通信过程中会存在一系列如可见性、原子性、顺序性等问题，而JMM就是围绕着多线程通信以及与其相关的一系列特性而建立的模型。JMM定义了一些语法集，这些语法集映射到Java语言中就是volatile、synchronized等关键字。
在JMM中，我们把多个线程间通信的共享内存称之为主内存，而在并发编程中多个线程都维护了一个自己的本地内存（这是个抽象概念），其中保存的数据是主内存中的数据拷贝。而JMM主要是控制本地内存和主内存之间的数据交互的。
在Java中，JMM是一个非常重要的概念，正是由于有了JMM，Java的并发编程才能避免很多问题。这里就不对Java内存模型做更加详细的介绍了，想了解更多的朋友可以参考《Java并发编程的艺术》。
Java对象模型
Java是一种面向对象的语言，而Java对象在JVM中的存储也是有一定的结构的。而这个关于Java对象自身的存储模型称之为Java对象模型。
HotSpot虚拟机中，设计了一个OOP-Klass Model。OOP（Ordinary Object Pointer）指的是普通对象指针，而Klass用来描述对象实例的具体类型。
每一个Java类，在被JVM加载的时候，JVM会给这个类创建一个instanceKlass，保存在方法区，用来在JVM层表示该Java类。当我们在Java代码中，使用new创建一个对象的时候，JVM会创建一个instanceOopDesc对象，这个对象中包含了对象头以及实例数据。
这就是一个简单的Java对象的OOP-Klass模型，即Java对象模型。
另附：oop-class model 的解释：
深入探究 JVM | klass-oop 对象模型研究
最近对JVM兴趣大增（其实是想回归C艹的怀抱了）~
当我们在写Java代码的时候，我们会面对着无数个接口，类，对象和方法。但我们有木有想过，Java中的这些对象、类和方法，在HotSpot JVM中的结构又是怎么样呢？HotSpot JVM底层都是C++实现的，那么Java的对象模型与C++对象模型之间又有什么关系呢？今天就来分析一下HotSpot JVM中的对象模型： oop-klass model ，它们的源码位于 openjdk-8/openjdk/hotspot/src/share/vm/oops 文件夹内。
注：本文对应的OpenJDK版本为openjdk-8u76-b02。对于不同的版本(openjdk-7, openjdk-8, openjdk-9)，其对应的HotSpot JVM的对象模型有些许差别（7和8的差别比较大）
oop-klass model概述
HotSpot JVM并没有根据Java实例对象直接通过虚拟机映射到新建的C++对象，而是设计了一个oop-klass model。
当时第一次看到oop，我的第一反应就是Object-oriented programming，其实这里的 oop 指的是 Ordinary Object Pointer （普通对象指针），它用来表示对象的实例信息，看起来像个指针实际上是藏在指针里的对象。而 klass 则包含 元数据和方法信息 ，用来描述Java类。
那么为何要设计这样一个一分为二的对象模型呢？这是因为HotSopt JVM的设计者不想让每个对象中都含有一个vtable（虚函数表），所以就把对象模型拆成klass和oop，其中oop中不含有任何虚函数，而klass就含有虚函数表，可以进行method dispatch。这个模型其实是参照的 Strongtalk VM 底层的对象模型。
体系总览
在 oopsHierarchy.hpp 里定义了oop和klass各自的体系。
这是oop的体系：
typedef class oopDesc* oop;
typedef class instanceOopDesc* instanceOop;
typedef class arrayOopDesc* arrayOop;
typedef class objArrayOopDesc* objArrayOop;
typedef class typeArrayOopDesc* typeArrayOop;
注意由于Java 8引入了Metaspace，OpenJDK 1.8里对象模型的实现与1.7有很大的不同。原先存于PermGen的数据都移至Metaspace，因此它们的C++类型都继承于 MetaspaceObj 类(定义见vm/memory/allocation.hpp )，表示元空间的数据。
这是元数据的体系：
// The metadata hierarchy is separate from the oop hierarchy
// class MetaspaceObj
class ConstMethod;
class ConstantPoolCache;
class MethodData;
// class Metadata
class Method;
class ConstantPool;
// class CHeapObj
class CompiledICHolder;
这是klass的体系：
// The klass hierarchy is separate from the oop hierarchy.
class Klass;
class InstanceKlass;
class InstanceMirrorKlass;
class InstanceClassLoaderKlass;
class InstanceRefKlass;
class ArrayKlass;
class ObjArrayKlass;
class TypeArrayKlass;
注意klass代表元数据，继承自 Metadata 类，因此像 Method 、 ConstantPool 都会以成员变量（或指针）的形式存在于klass体系中。
以下是JDK 1.7中的类在JDK 1.8中的存在形式：
klassOop->Klass*klassKlass不再需要methodOop->Method*methodDataOop->MethodData*constMethodOop->ConstMethod*constantPoolOop->ConstantPool*constantPoolCacheOop->ConstantPoolCache*
klass
一个Klass对象代表一个类的元数据（相当于 java.lang.Class 对象）。它提供：
- language level class object (method dictionary etc.)
- provide vm dispatch behavior for the object
所有的函数都被整合到一个C++类中。
Klass对象的继承关系： xxxKlass <:< Klass <:< Metadata <:< MetaspaceObj
klass对象的布局如下：
// Klass layout:
// [C++ vtbl ptr ] (contained in Metadata)
// [layout_helper ]
// [super_check_offset ] for fast subtype checks
// [name ]
// [secondary_super_cache] for fast subtype checks
// [secondary_supers ] array of 2ndary supertypes
// [primary_supers 0]
// [primary_supers 1]
// [primary_supers 2]
// ...
// [primary_supers 7]
// [java_mirror ]
// [super ]
// [subklass ] first subclass
// [next_sibling ] link to chain additional subklasses
// [next_link ]
// [class_loader_data]
// [modifier_flags]
// [access_flags ]
// [last_biased_lock_bulk_revocation_time] (64 bits)
// [prototype_header]
// [biased_lock_revocation_count]
// [_modified_oops]
// [_accumulated_modified_oops]
// [trace_id]
oop
oop 类型其实是 oopDesc* 。在Java程序运行的过程中，每创建一个新的对象，在JVM内部就会相应地创建一个对应类型的oop对象。各种oop类的共同基类为 oopDesc 类。
JVM内部，一个Java对象在内存中的布局可以连续分成两部分： instanceOopDesc 和实例数据。 instanceOopDesc 和 arrayOopDesc 又称为对象头。
instanceOopDesc 对象头包含两部分信息： Mark Word 和 元数据指针 ( Klass* )：
volatile markOop _mark;
union _metadata {
Klass* _klass;
narrowKlass _compressed_klass;
} _metadata;
分别来看一下：
- Mark Word ：instanceOopDesc中的
_mark成员。它用于存储对象的运行时记录信息，如哈希值、GC分代年龄(Age)、锁状态标志（偏向锁、轻量级锁、重量级锁）、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。Mark Word允许压缩 - 元数据指针 ：instanceOopDesc中的
_metadata成员，它是联合体，可以表示未压缩的Klass指针(_klass)和压缩的Klass指针。对应的klass指针指向一个存储类的元数据的Klass对象
下面我们来分析一下，执行 new A() 的时候，JVM Native里发生了什么。首先，如果这个类没有被加载过，JVM就会进行类的加载，并在JVM内部创建一个 instanceKlass 对象表示这个类的运行时元数据（相当于Java层的 Class 对象。到初始化的时候（执行 invokespecial A::），JVM就会创建一个
instanceOopDesc对象表示这个对象的实例，然后进行Mark Word的填充，将元数据指针指向Klass对象，并填充实例变量。
根据对JVM的理解，我们可以想到，元数据—— instanceKlass 对象会存在元空间（方法区），而对象实例—— instanceOopDesc 会存在Java堆。Java虚拟机栈中会存有这个对象实例的引用。