JVM原理：JVM运行时内存模型（通俗易懂）

前言

做了几年开发，平时除了写代码造BUG和修复BUG之外，偶尔也会遇到反馈说程序较慢问题，要对程序性能排查与优化就得更深入学习，学习JVM可以帮助我们加深对JAVA的理解，让我们具备一定的性能排查与调优的能力，无非就是让程序别太卡或者别挂了，那挂了目前我遇到的主要是内存泄漏后导致OOM，或者内存分配不当，当机器内存不足时出发了Linux的保护机制，自动kill调占用内存最高的程序；所以我们要了解平时创建的对象、变量是如何存储的，这些知识点可以帮我们更好解决问题。

正文

文章中的JVM是以HotSpot为例：

JVM运行时数据区包括虚拟机栈、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈。

虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的，也就是创建一个线程时，就会分配一个私有的栈，这个比较好理解，我们平时创建多线程时，每个方法里面的局部变量都是新的一份；

虚拟机栈维护了栈帧，每个方法都可以看作是一个栈帧。方法调用时会创建一个栈帧并且压栈，栈的特点是先进后出，比较符合我们程序的调用流程，比如A方法调用B方法，首先将创建栈帧A并压栈，当A方法中调用了B方法时创建栈帧B压栈，由于栈是先进后出，所以JVM在拿指令调用时，会先拿栈帧B进行调用。

自定义栈的大小
-Xss 512k

下面看下栈的结构：

局部变量表

局部变量表保存着方法中定义的局部变量，如基本数据类型、指向引用类型的地址指针、以及 returnAddress 类型。

局部变量表的数据随着栈帧的创建而存在，随着栈帧的销毁而销毁，这个比较好理解，每个方法的局部变量都是独立的，当方法调用完成后，局部变量就消失了，所以局部变量表是线程安全的。

栈是有空间大小的，所以当调用的方法较多时，会创建大量的栈帧，而栈帧又是占用内存空间，当创建栈帧时内存不足会导致stackoverflow栈溢出，栈溢出不会导致整个程序挂掉，但会导致当前线程挂掉。所以平常写递归要留意，不能出现死循环，不然最后就会报stackoverflow；

操作数栈

操作数栈也是栈结构，先入后出。操作数栈就是在程序计算指令执行前后用于保存临时数据的空间；

举个例子吧：

int a=1;
int b=1;
int c=a+b;

程序要执行以上的计算时

1、执行存值指令，将a=1放入操作数栈中

2、执行存值指令，将b=1放入操作数栈中

3、执行相加指令，出栈拿到a、b的值进行运算

4、将运算结果存入操作数栈中

5、执行赋值指令，将结果赋值给c，也就是存入局部变量表里

动态链接

我们编写Person类后，将其编译成class字节码文件，使用类加载器将其加载到内存中，此时会将类名、修饰符、变量名、方法名、方法返回值等类信息存入到常量池中，这里我们简单理解为维护了key-value表，如#01:0X71；

当调用方法时，会将指向方法地址的符号#01进行解析替换，此时指向方法地址的值就不在是#01，而是0X71了；所以动态链接会在程序运行时将间接地址引用转为直接地址引用；

方法返回地址

当一个返回调用结束后，返回值给上个方法，而且上个方法接收到返回值之后继续往下进行。而方法返回地址就是记录上个栈帧的位置，此时的栈帧出栈后，将返回结果存入下个栈帧的操作数栈中，然后执行赋值指令将值存入下个栈帧的局部变量表中；

这里我们知道会有两种返回方式，一种是程序正常退出，此时会返回值（如果有定义的话）；一种是当前方法执行过程中抛出异常中断了方法，此时不会返回值；

本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈结构差不多，区别是虚拟机栈是为java方法（java写的代码）而设立的，而本地方法栈是为java代码中的native修饰的代码而设立的；并不是所有的虚拟机都有本地方法栈，如Sun HotSpot虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

本地方法存在的意义

本地方法会调用C语言或者C++类库，比如内核为了安全，要调度硬件时，不会轻易给你权限进行调度，你需要调用内核提供好的函数库接口，由它先来进行安全检查，再帮你进行调度。另一方面操作底层使用java代码难度较高，直接调用现成的库效率更高；

本地方法的调用

上图案例有点像调用Thread的start方法开辟新线程来执行Runnable的run方法过程；

虚拟机堆

当我们new一个对象时，会开虚拟机堆中开辟一块内存空间，引用类型和数组的数据都是存放在堆中。它是JVM中内存最大的一块空间，所有线程都可以访问它，所以它是共享，非线程安全的。

堆结构

我们程序中经常导致性能问题的地方就是堆了，由于它的空间很大，而程序长期运行必然会产生很多没有用的垃圾对象，所以JVM使用垃圾回收器对没有被引用的对象进行回收，垃圾回收过程会STW，用户线程会挂起，所以就必须减少STW的时间，垃圾回收算法后续文章会进行讲解；

由于堆空间很大，垃圾回收是需要对整个空间进行扫描的（Full GC），为了让垃圾回收得更快，这里将堆空间划分为年轻代和老年代，年轻代包括eden区、survivor0、survivor1区域；

Eden区

new对象时，会在Eden区开辟内存空间，当Eden区满了之后，会触发年轻代垃圾回收YGC

Survivor区域

这里有两块Survivor是因为YGC垃圾回收采用复制算法，将没有被垃圾回收的对象拷贝到另一块空间；

如Student对象刚开始在Eden区，当触发YGC之后，由于Student对象还被其它对象引用，所以不会进行回收。由于是采用复制算法，会将没有回收的对象迁移到Survivor中，当第二次YGC之后，Student对象还未被回收，将survivor0迁移到survivor1中。第三次YGC时，又将survivor1中没有被回收迁移到survivor0中。

那这些没有被垃圾回收的对象，一直占用着空间，如果占用较多时，YGC的频率就会特别高，所以这里引入了年龄的概念。每次YGC后，未被回收的将年龄＋1，当年龄到达一定阈值时（默认15），迁移到老年代中，降低YGC频率。如果Survivor区满了，则直接进入老年代。

老年代Old区

老年代主要存放YGC过程中，一直没有被回收的对象。当老年代满了之后会触发FULL GC，此时老年代和年轻代都会进行垃圾回收，这个时间是比较久的，所以我们程序优化中要尽量减低FULL GC发生的频率；

常用参数指令

设置堆最小值：-Xms

设置堆最大值：-Xmx

设置年轻代大小：-Xmn

设置Eden：survivor0：survivor1比例：-XX:SurvivorRatio

晋升老年代的动态年龄： -XX:MaxTenuringThreshold

方法区

类编译后被加载到内存中后，其类修饰符、类名、父类信息、方法名称、变量名称等存入方法区的常量池中，方法区是各个线程共享的，JVM关闭时该区域空间就会被释放；

常量池

如下案例：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

JVM翻译成指令后：

// ===========================================类的描述信息===============================================
Classfile /xx/xx/xx/xx/HelloWorld.class
  Last modified 2021-10-12; size 569 bytes
  MD5 checksum 7f4f0fe4b6e6d04ddaf30401a7b04f07
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class org.memory.jvm.t5.HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 49
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    
// ===========================================常量池===============================================
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#20         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Fieldref           #21.#22        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #23            // hello world
   #4 = Methodref          #24.#25        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #26            // org/memory/jvm/t5/HelloWorld
   #6 = Class              #27            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lorg/memory/jvm/t5/HelloWorld;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               SourceFile
  #19 = Utf8               HelloWorld.java
  #20 = NameAndType        #7:#8          // "":()V
  #21 = Class              #28            // java/lang/System
  #22 = NameAndType        #29:#30        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #23 = Utf8               hello world
  #24 = Class              #31            // java/io/PrintStream
  #25 = NameAndType        #32:#33        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #26 = Utf8               org/memory/jvm/t5/HelloWorld
  #27 = Utf8               java/lang/Object
  #28 = Utf8               java/lang/System
  #29 = Utf8               out
  #30 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #31 = Utf8               java/io/PrintStream
  #32 = Utf8               println
  #33 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
                            
// =======================================虚拟机中执行编译的方法===========================================
{
  public org.memory.jvm.t5.HelloWorld();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lorg/memory/jvm/t5/HelloWorld;
	
  // main方法JVM指令码
  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    // main方法访问修饰符描述
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    // main方法中的代码执行部分
    // ===============================解释器读取下面的JVM指令解释并执行===================================             
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         // 从常量池中符号地址为 #2 的地方，先获取静态变量System.out
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         // 从常量池中符号地址为 #3 的地方加载常量 hello world
         3: ldc           #3                  // String hello world
         // 从常量池中符号地址为 #3 的地方获取要执行的方法描述，并执行方法输出hello world
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         // main方法返回
         8: return
    // ==================================解释器读取上面的JVM指令解释并执行================================
      // 行号映射表
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 8
      // 局部变量表
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
}
 

上面类经过编译成.class文件后，再然后将class文件反编译为JVM指令码后，我们可以看到常量池中记录了类的名称、方法名等符号引用，还有#23等字面量；

• 字面量包括：1.文本字符串 2.八种基本类型的值 3.被声明为final的常量等；如： #23 = Utf8 hello world
• 符号引用包括：1.类和方法的全限定名 2.字段的名称和描述符 3.方法的名称和描述符。如： #3 = String #23

运行时常量池

运行时常量池是当类被加载到内存时的版本，上述案例可以看到每个类都会存在常量池，所以当常量池被加载进内存，将数据放入运行时常量池之后，也是每个类都有一份，此时符号引用会被解析成直接引用；

如上述案例中的 #3 = String #23 会变成 #3 = String hello world

运行时常量池是一个统称，它包括了字符串常量池、类名称常量、方法名称常量、静态变量池、基础数据常量池等；

方法信息

存储方法要运行的指令、局部变量表、返回类型等信息

类信息

存储类的描述信息、枚举、接口、父类等信息

域信息

域名称、域类型、域修饰符（public，private，protected，static，final，volatile，transient的某个子集）

JDK1.7前的方法区

此类版本的方法区实现叫永久代，它存在于JVM内存之内，堆内存之外，这块区域由于有空间大小限制，当JVM加载太多的Class类时，垃圾回空间跟不上存入空间时，会报会报内存溢出异常OutOfMemoryError：PermGen space。

下面命令可用来指定空间大小：

• -XX:PermSize来设置永久代初始分配空间。

• -XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配空间。

JDK1.7时的方法区

此版本将字符串常量和字符串常量池放到了堆中，其它还是在永久代中

JDK1.7后的方法区

此版本的方法区，由metaSpace实现，存在于本地内存中，也就是JVM外的内存空间，它受限与物理内存，当物理内存不足时，会内存溢出；

在这里插入图片描述

程序计数器

每个线程都有一个程序计数器用于记录当前线程要执行的指令地址；由于程序运行一般是多线程，单CPU数量少于线程数量时，就会存在并发，每个线程会获得CPU的执行权。如执行线程A时，由于CPU分配的时间片到了，此时将当前线程挂起，线程B获取CPU的使用权，当线程B执行完毕后或者时间片用完后，需要恢复线程A的执行，此时如果想CPU从上次执行点开始往下执行的话，就需要记录之前的指令；

程序计数器记录着当前线程要执行的下条执行，当CPU从程序计数器拿到指令的引用之后，需要将下条指令的引用地址维护进来。如果是调用native方法时，程序计数器的记录值就为空。

总结

JVM理论知识点很多，平常如果很少实操这些东西是很难真正懂的，中文社区的JVM文章五花八门，很多写的都不一样。这篇文章有些按自己的理解不一定准确，但是我感觉这些知识点有利于我们解决问题也就够了，如有错误望指出修改。

内存模型了解之后，我们知道了数据存哪里了，那内存只有那么大，而程序一直运行，会不断占用内存空间，程序又是如何保证内存一直能放得下数据，那就得学习垃圾回收了。