JVM: 结合一个例子理解JVM内存模型原理

• JVM内存结构图如下所示，主要有三大块：堆内存、方法区和栈

JVM会通过类装载子系统将以class结尾的字节码文件装载到JVM的运行时数据区，然后cpu通过执行引擎不断与运行时数据区进行交互来执行程序。图中紫色模块是线程私有的；黄色部分是线程共享的。

• 本次使用的IDE是IDEA, 因为要结合例子理解内存模型，所以首先创建一个Math类如下：

package cn.ly.jvm;

public class Math {
    public int math() {
        int a=2;
        int b=3;
        int c=(b-a)*6;
        return c;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Math math=new Math();
        math.math();
    }
}

Math.java经过编译后在target目录下会生成对应的字节码文件Math.class。如下图所示，右击Math.class文件，打开terminal，通过执行 javac -c Math.class > math.txt 命令对Math.class进行反汇编并将结果保存到同一目录下的Math.txt中。

Math.txt的内容如下，

Compiled from "Math.java"
public class cn.ly.jvm.Math {
  public cn.ly.jvm.Math();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
       4: return

  public int math();
    Code:
       0: iconst_2
       1: istore_1
       2: iconst_3
       3: istore_2
       4: iload_2
       5: iload_1
       6: isub
       7: bipush        6
       9: imul
      10: istore_3
      11: iload_3
      12: ireturn

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #2                  // class cn/ly/jvm/Math
       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method "":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: invokevirtual #4                  // Method math:()I
      12: pop
      13: return
}

Math.java中的程序从main开始执行，JVM会为main线程分配一个栈内存空间。此处要提到栈帧这个重要的概念。栈帧是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构，他是虚拟机运行时数据区的虚拟机栈的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态链接和方法的返回地址等信息。每一个方法从调用开始直至执行完成的过程，都对应的一个栈帧在虚拟机栈里入栈和出栈的过程。简言之，即每个方法对应一个栈帧，不同方法的操作数栈、动态链接和方法的返回地址存储在不同方法的栈帧中。

• 下面用图来说明执行引擎在执行math方法的字节码指令时JVM内存中的情况。

字节码指令的含义可以直接参考字节码指令手册：链接：https://pan.baidu.com/s/1jBJwJlkL0LZ_bpki9oC-LQ
提取码：sdy7

执行了以下字节码指令后，局部变量1即a =2，详见下图：

   Code:
      0: iconst_2  // 将int类型的常量2压入操作数栈
      1: istore_1  //将int类型的值2从操作数栈出栈，存入局部变量1（此处即a）中

执行了以下字节码指令后，局部变量2即 b=3, 详见下图：

    Code:
       2: iconst_3  //将int类型的常量3压入操作数栈
       3: istore_2  //将int类型的值3从操作数栈出栈，存入局部变量2中

执行了以下字节码指令后，结果如下图：

    Code:
       4: iload_2  //将局部变量2的值加载到操作数栈中
       5: iload_1  //将局部变量1的值加载到操作数栈中

执行了以下字节码指令后，结果如下图：

   Code:
       6: isub     //执行int类型的减法,此时操作数3与2先后出栈

执行了以下字节码指令后，结果如下图：

	Code:
	    7: bipush        6  //执行减法的结果1入操作数栈，同时常量6入操作数栈。

执行了以下字节码指令后，结果如下图：

    Code:
       9: imul  //执行int类型的乘法，此时操作数6与1先后出栈，执行乘法运算，并将结果6入操作数栈。

执行了以下字节码指令后，结果如下图：

	Code:
      10: istore_3  //将常量6从操作数栈出栈，赋值给int型变量3
      11: iload_3   //将局部变量3的值加载到操作数栈中
      12: ireturn   //操作数栈中的栈顶元素6出栈，根据方法返回地址的值，返回到main方法中对应的位置

至此math方法执行结束。

当在main方法中new一个Math对象时，JVM根据方法区中类元信息的数据结构创建一个Math类的对象实例并保存到堆内存中。（在math对象的对象头中有指向方法区中Math.class类元信息的指针）

方法区：HotSpot虚拟机的设计团队使用永久代（Permanent Generation）实现方法区，因此，很多人将方法区称为永久代（PermGen）。java8开始，永久代被元空间（Metaspace）取代。由于加载到方法区的字节码大小无法确定，为了防止内存溢出，元空间并不在虚拟机内存中，而是使用本地内存。它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

本地方法栈：它与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

程序计数器：程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。

堆：

Java堆是Java虚拟机管理的内存中最大的一块，此内存区域是为了存放对象实例而存在，所以对象实例以及数组都在堆中分配内存。它也是垃圾回收（GC）的主要区域，因此也被称为GC堆。

由于现有的收集器基本采用分代收集算法，所以Java堆可细分为：新生代和老年代，内存比例一般为2：1，新生代又可分为Eden区，From Survivor区，To Survivor区，内存比例一般为8：1：1。如下图所示：