深入了解JVM内存模型

目录

1 概述

1.1 CPU和内存的交互

1.2 java内存结构

2 运行内存模型

2.1 程序计数器

2.2 Java栈（虚拟机栈）

2.3 本地方法栈

2.4 栈

 局部变量表

操作数栈

2.5  Java堆

2.6 方法区（Method Area）

3 HotSpot 虚拟机

3.1 对象的内存布局

对象头【markword】

 实例数据

对齐填充

3.2  对象的访问定位

句柄访问

直接指针

4 内存溢出

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1 概述

1.1 CPU和内存的交互

在计算机中，cpu和内存的交互最为频繁，相比内存，磁盘读写太慢，内存相当于高速的缓冲区。

但是随着cpu的发展，内存的读写速度也远远赶不上cpu。因此cpu厂商在每颗cpu上加上高速缓存，用于缓解这种情况。现在cpu和内存的交互大致如下。

cpu上加入了高速缓存这样做解决了处理器和内存的矛盾(一快一慢)，但是引来的新的问题 - 缓存一致性

CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有找到再从二级缓存中查找，如果还是没有就从三级缓存或内存中查找，每个cpu有且只有一套自己的缓存。

如何保证多个处理器运算涉及到同一个内存区域时，多线程场景下会存在缓存一致性问题，那么运行时保证数据一致性？

为了解决这个问题，各个处理器需遵循一些协议保证一致性。【如MSI，MESI啥啥的协议。。】

1.2 java内存结构

根据java虚拟机规范，java虚拟机管理的内存将分为下面五大区域。

JVM内存结构、Java内存结构、Java内存区域

这三者都是一个概念

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。

JVM运行时内存结构（也就是咱们常说的运行时数据区）

2 运行内存模型

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它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，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》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，Java堆，方法区。

下图为各个区域以及进一步细化图：

2.1 程序计数器

为什么需要程序计数器

我们知道对于一个处理器(如果是多核cpu那就是一核)，在一个确定的时刻都只会执行一条线程中的指令，一条线程中有多个指令，为了线程切换可以恢复到正确执行位置，每个线程都需有独立的一个程序计数器，不同线程之间的程序计数器互不影响，独立存储。

注意：如果线程执行的是个java方法，那么计数器记录虚拟机字节码指令的地址。如果为native【底层方法】，那么计数器为空。这块内存区域是虚拟机规范中唯一没有OutOfMemoryError的区域。

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看做当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此，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，每个线程之间计数器互不影响，独立存储。

备注：

（a）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Native方法，这个计数器的值则为空。

（b）此内存区域是唯一在Java虚拟机规范中没有规定任何OOM情况的区域。

2.2 Java栈（虚拟机栈）

同计数器也为线程私有，生命周期与相同，就是我们平时说的栈，栈描述的是Java方法执行的内存模型。

每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧用于存储局部变量表，操作栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法被调用的过程就对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。【栈先进后出，下图栈1先进最后出来】

栈帧: 是用来存储数据和部分过程结果的数据结构。
栈帧的位置:  内存 -> 运行时数据区 -> 某个线程对应的虚拟机栈 -> here[在这里]
栈帧大小确定时间: 编译期确定，不受运行期数据影响。

通常有人将java内存区分为栈和堆，实际上java内存比这复杂，这么区分可能是因为我们最关注，与对象内存分配关系最密切的是这两个。

平时说的栈一般指局部变量表部分。

局部变量表:一片连续的内存空间，用来存放方法参数，以及方法内定义的局部变量，存放着编译期间已知的数据类型(八大基本类型和对象引用(reference类型),returnAddress类型。它的最小的局部变量表空间单位为Slot，虚拟机没有指明Slot的大小，但在jvm中，long和double类型数据明确规定为64位，这两个类型占2个Slot，其它基本类型固定占用1个Slot。

reference类型:与基本类型不同的是它不等同本身，即使是String，内部也是char数组组成，它可能是指向一个对象起始位置指针，也可能指向一个代表对象的句柄或其他与该对象有关的位置。

returnAddress类型:指向一条字节码指令的地址【深入理解Java虚拟机】怎么理解returnAddress

需要注意的是，局部变量表所需要的内存空间在编译期完成分配，当进入一个方法时，这个方法在栈中需要分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表大小。

Java虚拟机栈可能出现两种类型的异常：

1. 线程请求的栈深度大于虚拟机允许的栈深度，将抛出StackOverflowError。
2. 虚拟机栈空间可以动态扩展，当动态扩展是无法申请到足够的空间时，抛出OutOfMemory异常。

2.3 本地方法栈

本地方法栈是与虚拟机栈发挥的作用十分相似,区别是虚拟机栈执行的是Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的native方法服务，可能底层调用的c或者c++,我们打开jdk安装目录可以看到也有很多用c编写的文件，可能就是native方法所调用的c代码。

2.4 栈

JVM 中的栈包括 Java 虚拟机栈和本地方法栈，两者的区别就是，Java 虚拟机栈为 JVM 执行 Java 方法服务，本地方法栈则为 JVM 使用到的 Native 方法服务。两者作用是极其相似的，本文主要介绍 Java 虚拟机栈，以下简称栈。
Native 方法是什么？

JDK 中有很多方法是使用 Native 修饰的。Native 方法不是以 Java 语言实现的，而是以本地语言实现的（比如 C 或 C++）。个人理解Native 方法是与操作系统直接交互的。比如通知垃圾收集器进行垃圾回收的代码 System.gc()，就是使用 native 修饰的。

public final class System {
    public static void gc() {
        Runtime.getRuntime().gc();
    }
}
 
public class Runtime {
    //使用native修饰
     public native void gc();

什么是栈？

定义：限定仅在表头进行插入和删除操作的线性表。即压栈（入栈）和弹栈（出栈）都是对栈顶元素进行操作的。所以栈是后进先出的。

栈是线程私有的，他的生命周期与线程相同。每个线程都会分配一个栈的空间，即每个线程拥有独立的栈空间。

栈中存储的是什么？

栈帧是栈的元素。每个方法在执行时都会创建一个栈帧。栈帧中存储了局部变量表、操作数栈、动态连接和方法出口等信息。每个方法从调用到运行结束的过程，就对应着一个栈帧在栈中压栈到出栈的过程。

 局部变量表

栈帧中，由一个局部变量表存储数据。局部变量表中存储了基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）的局部变量（包括参数）、和对象的引用（String、数组、对象等），但是不存储对象的内容。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

局部变量的容量以变量槽（Variable Slot）为最小单位，每个变量槽最大存储32位的数据类型。对于64位的数据类型（long、double），JVM 会为其分配两个连续的变量槽来存储。以下简称 Slot 。

JVM 通过索引定位的方式使用局部变量表，索引的范围从0开始至局部变量表中最大的 Slot 数量。普通方法与 static 方法在第 0 个槽位的存储有所不同。非 static 方法的第 0 个槽位存储方法所属对象实例的引用。

Slot 复用？

为了尽可能的节省栈帧空间，局部变量表中的 Slot 是可以复用的。方法中定义的局部变量，其作用域不一定会覆盖整个方法。当方法运行时，如果已经超出了某个变量的作用域，即变量失效了，那这个变量对应的 Slot 就可以交给其他变量使用，也就是所谓的 Slot 复用。通过一个例子来理解变量“失效”。

public void test(boolean flag)
{
    if(flag)
    {
        int a = 66;
    }
    
    int b = 55;
}

当虚拟机运行 test 方法，就会创建一个栈帧，并压入到当前线程的栈中。当运行到 int a = 66时，在当前栈帧的局部变量中创建一个 Slot 存储变量 a，当运行到 int b = 55时，此时已经超出变量 a 的作用域了（变量 a 的作用域在{}所包含的代码块中），此时 a 就失效了，变量a 占用的 Slot 就可以交给b来使用，这就是 Slot 复用。

凡事有利弊。Slot 复用虽然节省了栈帧空间，但是会伴随一些额外的副作用。比如，Slot 的复用会直接影响到系统的垃圾收集行为。

public class TestDemo {
 
    public static void main(String[] args){
        
        byte[] placeholder = new byte[64 * 1024 * 1024];
        
        System.gc();
    }
}

操作数栈

操作数栈是一个后进先出栈。操作数栈的元素可以是任意的Java数据类型。方法刚开始执行时，操作数栈是空的，在方法执行过程中，通过字节码指令对操作数栈进行压栈和出栈的操作。通常进行算数运算的时候是通过操作数栈来进行的，又或者是在调用其他方法的时候通过操作数栈进行参数传递。操作数栈可以理解为栈帧中用于计算的临时数据存储区。

通过一段代码来了解操作数栈。

public class OperandStack{
 
    public static int add(int a, int b){
        int c = a + b;
        return c;
    }
 
    public static void main(String[] args){
        add(100, 98);
    }
}

使用 javap 反编译 OperandStack 后，根据虚拟机指令集，得出操作数栈的运行流程如下：

add 方法刚开始执行时，操作数栈是空的。当执行 iload_0 时，把局部变量 0 压栈，即 100 入操作数栈。然后执行 iload_1，把局部变量1压栈，即 98 入操作数栈。接着执行 iadd，弹出两个变量（100 和 98 出操作数栈），对 100 和 98 进行求和，然后将结果 198 压栈。然后执行 istore_2，弹出结果（出栈）。

下面通过一张图，对比执行100+98操作，局部变量表和操作数栈的变化情况。

栈中可能出现哪些异常？

StackOverflowError：栈溢出错误

如果一个线程在计算时所需要用到栈大小 > 配置允许最大的栈大小，那么Java虚拟机将抛出 StackOverflowError

OutOfMemoryError：内存不足

 栈进行动态扩展时如果无法申请到足够内存，会抛出 OutOfMemoryError 异常。

如何设置栈参数？

使用 -Xss 设置栈大小，通常几百K就够用了。由于栈是线程私有的，线程数越多，占用栈空间越大。

栈决定了函数调用的深度。这也是慎用递归调用的原因。递归调用时，每次调用方法都会创建栈帧并压栈。当调用一定次数之后，所需栈的大小已经超过了虚拟机运行配置的最大栈参数，就会抛出 StackOverflowError 异常。

2.5  Java堆

堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块存储区域。堆内存被所有线程共享。主要存放使用new关键字创建的对象。所有对象实例以及数组都要在堆上分配。垃圾收集器就是根据GC算法，收集堆上对象所占用的内存空间（收集的是对象占用的空间而不是对象本身）。

Java堆分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）；年轻代又分为伊甸园（Eden）和幸存区（Survivor区）；幸存区又分为From Survivor空间和 To Survivor空间。

年轻代存储“新生对象”，我们新创建的对象存储在年轻代中。当年轻内存占满后，会触发Minor GC，清理年轻代内存空间。

老年代存储长期存活的对象和大对象。年轻代中存储的对象，经过多次GC后仍然存活的对象会移动到老年代中进行存储。老年代空间占满后，会触发Full GC。

注：Full GC是清理整个堆空间，包括年轻代和老年代。如果Full GC之后，堆中仍然无法存储对象，就会抛出OutOfMemoryError异常。

Java堆设置常用参数

参数	描述
-Xms	堆内存初始大小
-Xmx（MaxHeapSize）	堆内存最大允许大小，一般不要大于物理内存的80%
-XX:NewSize（-Xns）	年轻代内存初始大小
-XX:MaxNewSize（-Xmn）	年轻代内存最大允许大小，也可以缩写
-XX:NewRatio	新生代和老年代的比值 值为4 表示 新生代:老年代=1:4，即年轻代占堆的1/5
-XX:SurvivorRatio=8	年轻代中Eden区与Survivor区的容量比例值，默认为8 表示两个Survivor :eden=2:8，即一个Survivor占年轻代的1/10
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError	内存溢出时，导出堆信息到文件
-XX:+HeapDumpPath	堆Dump路径 -Xmx20m -Xms5m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=d:/a.dump
-XX:OnOutOfMemoryError	当发生OOM内存溢出时，执行一个脚本 -XX:OnOutOfMemoryError=D:/tools/jdk1.7_40/bin/printstack.bat %p %p表示线程的id pid
-XX:MaxTenuringThreshold=7	表示如果在幸存区移动多少次没有被垃圾回收，进入老年代

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2.6 方法区（Method Area）

方法区同 Java 堆一样是被所有线程共享的区间，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。更具体的说，静态变量+常量+类信息（版本、方法、字段等）+运行时常量池存在方法区中。常量池是方法区的一部分。

注：JDK1.8 使用元空间 MetaSpace 替代方法区，元空间并不在 JVM中，而是使用本地内存。元空间两个参数：

1.  MetaSpaceSize：初始化元空间大小，控制发生GC阈值
2.  MaxMetaspaceSize ： 限制元空间大小上限，防止异常占用过多物理内存

常量池中存储编译器生成的各种字面量和符号引用。字面量就是Java中常量的意思。比如文本字符串，final修饰的常量等。方法引用则包括类和接口的全限定名，方法名和描述符，字段名和描述符等。

常量池有什么用 ？

优点：常量池避免了频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。

举个栗子： Integer 常量池（缓存池），和字符串常量池

Integer常量池：

我们知道 == 基本数据类型比较的是数值，而引用数据类型比较的是内存地址。

public void TestIntegerCache()
{
    public static void main(String[] args)
    {
        
        Integer i1 = new Integer(66);
        Integer i2 = new integer(66);
        Integer i3 = 66;
        Integer i4 = 66;
        Integer i5 = 150;
        Integer i6 = 150;
        System.out.println(i1 == i2);//false
        System.out.println(i3 == i4);//true
        System.out.println(i5 == i6);//false
    }
    
}

i1 和 i2 使用 new 关键字，每 new 一次都会在堆上创建一个对象，所以 i1 == i2 为 false。

i3 == i4 为什么是 true 呢？Integer i3 = 66 实际上有一步装箱的操作，即将 int 型的 66 装箱成 Integer，通过 Integer 的 valueOf 方法。

public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

Integer 的 valueOf 方法很简单，它判断变量是否在 IntegerCache 的最小值（-128）和最大值（127）之间，如果在，则返回常量池中的内容，否则 new 一个 Integer 对象。

而 IntegerCache 是 Integer的静态内部类，作用就是将 [-128,127] 之间的数“缓存”在 IntegerCache 类的 cache 数组中，valueOf 方法就是调用常量池的 cache 数组，不过是将 i3、i4 变量引用指向常量池中，没有真正的创建对象。而new Integer(i)则是直接在堆中创建对象。

IntegerCache 类中，包含一个构造方法，三个静态变量：low最小值、high最大值、和Integer数组，还有一个静态代码块。静态代码块的作用就是在 IntegerCache 类加载的时候，对high最大值以及 Integer 数组初始化。也就是说当 IntegerCache 类加载的时候，最大最小值，和 Integer 数组就已经初始化好了。这个 Integer 数组其实就是包含了 -128到127之间的所有值。

IntegerCache 源码

private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;//最小值
        static final int high;//最大值
        static final Integer cache[];//缓存数组
 
        //私有化构造方法，不让别人创建它。单例模式的思想
        private IntegerCache() {}
 
        //类加载的时候，执行静态代码块。作用是将-128到127之间的数缓冲在cache[]数组中
        static {
            // high value may be configured by property
            int h = 127;
            String integerCacheHighPropValue =
                sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
            if (integerCacheHighPropValue != null) {
                try {
                    int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                    i = Math.max(i, 127);
                    // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                    h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
                } catch( NumberFormatException nfe) {
                    // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
                }
            }
            high = h;
 
            cache = new Integer[(high - low) + 1];//初始化cache数组，根据最大最小值确定
            int j = low;
            for(int k = 0; k < cache.length; k++)//遍历将数据放入cache数组中
                cache[k] = new Integer(j++);
 
            // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
            assert IntegerCache.high >= 127;
        }
 
    }

而 i5 == i6 为 false，就是因为 150 不在 Integer 常量池的最大最小值之间【-128,127】，从而 new 了一个对象，所以为 false。

3 HotSpot 虚拟机

3.1 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中。对象在内存中存储的布局分为

1.对象头
2.实例数据
3.对齐填充

对象头【markword】

在32位系统下，对象头8字节，64位则是16个字节【未开启压缩指针，开启后12字节】。

markword很像网络协议报文头，划分为多个区间，并且会根据对象的状态复用自己的存储空间。
为什么这么做:省空间，对象需要存储的数据很多，32bit/64bit是不够的，它被设计成非固定的数据结构以便在极小的空间存储更多的信息，

假设当前为32bit，在对象未被锁定情况下。25bit为存储对象的哈希码、4bit用于存储分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0。

不同状态下存放数据

这其中锁标识位需要特别关注下。锁标志位与是否为偏向锁对应到唯一的锁状态。

锁的状态分为四种无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁

不同状态时对象头的区间含义，如图所示。

HotSpot底层通过markOop实现Mark Word，具体实现位于markOop.hpp文件。

markOop中提供了大量方法用于查看当前对象头的状态，以及更新对象头的数据，为synchronized锁的实现提供了基础。[比如说我们知道synchronized锁的是对象而不是代码，而锁的状态保存在对象头中，进而实现锁住对象]。

关于对象头和锁之间的转换，网上大神总结

 实例数据

存放对象程序中各种类型的字段类型，不管是从父类中继承下来的还是在子类中定义的。
分配策略:相同宽度的字段总是放在一起，比如double和long

对齐填充

这部分没有特殊的含义，仅仅起到占位符的作用满足JVM要求。

由于HotSpot规定对象的大小必须是8的整数倍，对象头刚好是整数倍，如果实例数据不是的话，就需要占位符对齐填充。

3.2  对象的访问定位

java程序需要通过引用(ref)数据来操作堆上面的对象，那么如何通过引用定位、访问到对象的具体位置。

对象的访问方式由虚拟机决定，java虚拟机提供两种主流的方式
1.句柄访问对象
2.直接指针访问对象。(Sun HotSpot使用这种方式)

句柄访问

简单来说就是java堆划出一块内存作为句柄池,引用中存储对象的句柄地址,句柄中包含对象实例数据、类型数据的地址信息。

优点:引用中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动【垃圾收集时移动对象是常态】只需改变句柄中实例数据的指针，不需要改动引用【ref】本身。

直接指针

与句柄访问不同的是，ref中直接存储的就是对象的实例数据,但是类型数据跟句柄访问方式一样。

优点:优势很明显，就是速度快，相比于句柄访问少了一次指针定位的开销时间。【可能是出于Java中对象的访问时十分频繁的,平时我们常用的JVM HotSpot采用此种方式】

 

4 内存溢出

两种内存溢出异常[注意内存溢出是error级别的]
1.StackOverFlowError:当请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度
2.OutOfMemoryError:虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间[一般都能设置扩大]

java -verbose:class -version 可以查看刚开始加载的类，可以发现这两个类并不是异常出现的时候才去加载，而是jvm启动的时候就已经加载。这么做的原因是在vm启动过程中我们把类加载起来，并创建几个没有堆栈的对象缓存起来，只需要设置下不同的提示信息即可，当需要抛出特定类型的OutOfMemoryError异常的时候，就直接拿出缓存里的这几个对象就可以了。

比如说OutOfMemoryError对象，jvm预留出4个对象【固定常量】，这就为什么最多出现4次有堆栈的OutOfMemoryError异常及大部分情况下都将看到没有堆栈的OutOfMemoryError对象的原因。

两个基本的例子

public class MemErrorTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            List