基础篇：JVM运行时内存布局

1 JVM的内存区域布局

• java代码的执行步骤有三点

  • java源码文件->编译器->字节码文件
  • 字节码文件->JVM->机器码
  • 机器码->系统CPU执行
• JVM执行的字节码需要用类加载来载入；字节码文件可以来自本地文件，可以在网络上获取，也可以实时生成。就是说你可以跳过写java代码阶段，直接生成字节码交由JVM执行
• 其中Java虚拟机栈、程序计数器、Heap、本地方法栈、Metaspace属于JVM运行时的内存；按是否线程共享则可以分两类

• JAVA堆和MetasSpace元空间属于线程共享的；虚拟机栈和本地方法栈、程序计数器是线程私有的

2 JVM五大数据区域介绍

• 2.1 程序计数器（Progarm Counter Register)

  • 一块较小的内存空间, 是当前线程所执行的字节码的行号指示器。线程有一个独属的程序计数器，字节码解析工作时需要程序计数器来选取下一指令，分支、循环、跳转等依赖它
  • 正在执行java方法线程的计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址；如果还是Native方法，则为空
  • 程序计数器内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何OutOfMemoryError错误的区域
• 2.2 虚拟机栈(Virtual Machine Stack)

• Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息
• 每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程
• 栈帧是用来存储数据和部分过程结果的数据结构，同时也被用来处理动态链接(Dynamic Linking)、 方法返回值和异常分派(Dispatch Exception)。栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁(无论方法是正常完成还是异常完成)
• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许深度，则抛出StackOverflowError；扩展时无法申请到足够内存，则抛出OutOfMemeryError

• 2.3 本地方法栈(Native Method Stack)

  • 本地方法栈和虚拟机栈作用类似，区别是虚拟机栈为执行Java方法服务，而本地方法栈则为Native方法服务。(HopShot的实现 直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一）
• 上述3类区域，生命周期与Thread相同，即：线程创建时，相应的内存区创建，线程销毁时，释放相应内存

• 2.4 堆(Heap)

  • 线程共享的一块内存区域，几乎所有的对象实例在这里分配内存，也是垃圾收集器进行垃圾收集的最重要的内存区域。因此很多时候也叫GC堆
  • 线程私有的分配缓存区(Thread Local Alloaction Buffer)也是在堆划分出来的
  • JDK8的版本，因使用元空间代替永久代，字符串常量池和类的静态变量也放入java堆中

• 2.5 元空间(MetaSpace)

  • 主要存储类的元数据，比如类的各种描述信息，类名、方法、字段、访问限制等，既编译器编译后的代码等数据
  • 运行时常量池：Class文件中除了有类的版本、字段、方法等描述等信息外；还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分将在类加载后存放到元空间的运行时常量池中

• 使用元空间代替永久代原因

  • 永久代的大小是在启动时固定好的，很难进行调优；太大则容易导致永久代溢出；太小在运行时，容易抛出OutOfMemeryError
  • 字符串存在永久代中，使用时易出问题，由于永久代内存经常不够用，爆出异常OutOfMemoryError: PermGen

• CodeCache

  • JVM生成的native code存放的内存空间称之为Code Cache；JIT编译、JNI等都会编译代码到native code，其中JIT生成的native code占用了Code Cache的绝大部分空间

• 直接内存

  • 它并不是虚拟机运行时数据区的一般分，也不在规范定义。JDK1.4，引入了Channel(通道)与Buffer(缓存区)的I/O方式，它可以使用Native函数分配堆外内存，可通过DirectByteBuffer操作。

3 JVM运行时内存布局和JMM内存模型区别

• JVM内存区域是指JVM运行时将内存数据分区域存储，强调对内存空间的划分
• JAVA内存模型是Java语言在多线程并发情况下对于共享变量内存操作的规范：解决变量在多线程的可见性、原子性的问题

4 JMM内存模型交互操作

• 内存交互操作有八种，虚拟机的实现保证每一个操作都是原子性的

  • lock(锁定)：作用于主内存的变量，标识变量为线程独占状态
  • unlock(解锁)：作用于主内存的变量，释放一个处于锁定状态的变量，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，从主内存中读取出后面load操作要用到的变量
  • load(载入)：作用于主内存中的变量，把刚才read的值放入工作内存的副本中
  • use(使用)：作用于工作内存中的变量，当线程执行某个字节码指令需要用到相应的变量时，把工作内存中的变量副本传给执行引擎
  • assign(赋值)：作用于工作内存中的变量，把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
  • store(存储)：作用于工作内存中的变量，把工作内存中的变量送到主内存，给后续的write使用
  • write(写入)：作用于主内存中的变量，把store的工作内存中的变量值，写入主内存中
• read和load 好像是相同的操作？各位有何高见，请指教下

• JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则

  • read和load、store和write必须顺序执行，而且两个指令绑定出现；就是说出现read就要有load
  • 不允许一个线程丢弃最近的assign操作，工作内存中的变量改变后，必须write同步到主内存
  • 不允许一个线程把没有发生assign操作的变量同步到主内存
  • 新的变量必须诞生于主内存，不允许工作内存使用一个没有初始化的变量；use、store操作变量之前，必须经过load和assign操作
  • 变量同一时刻只允许一个线程对其lock，该线程可以对该变量加锁多次，释放锁需要执行相同次数的unlock，lock和unlock要成对出现
  • 一个变量没有lock，不能unlock；并且一个线程不能unlock被其他线程锁住的变量
  • 执行unlock前，必须把工作内存中的变量同步到主内存中
  • 执行lock操作，需要清空工作内存（所有），并且需要使用该变量之前，要重新执行load和assign操作

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参考文章

• 深入理解Java虚拟机
• JVM之内存布局超详细整理
• Metaspace 之一：Metaspace整体介绍