⛳ JVM内存模型和五大结构详解
JVM内存模型目录
- ⛳ JVM内存模型和五大结构详解
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- 一，什么是JVM
- 二，为什么需要JVM？
- 三，JVM内存模型
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- 3.1，堆（Heap）
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- Java 堆的分类：
- TLAB（Thread Local Allocation Buffer，线程私有分配缓冲区）：
- 3.2，方法区（Method Area）
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- 1，类型信息
- 2，域信息（Field）成员变量
- 3，方法(Method)信息
- 3.3，虚拟机栈（JVM Stack）
- 3.4，本地方法栈（Native Stack）
- 3.5，程序计数器（PC Register）
- ⭐ 四，JVM 内存模型小结
⛳ JVM内存模型和五大结构详解
一，什么是JVM
JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，有着自己完善的硬件架构，如处理器，堆栈等，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。
二，为什么需要JVM？
Java语言使用Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需要生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多个平台上不加修改的运行。
Java文件必须先通过一个叫javac的编译器，将代码编成class文件，然后通过JVM把class文件解释成各个平台可以识别的机器码，最终实现跨平台运行代码。
三，JVM内存模型
JVM 内存模型可以分为两部分，堆和方法区是所有线程所共有的，而虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器则是线程私有的。
在JVM1.8中，图中的 方法区为元数据区 。下面谈一谈五个区域的作用。
3.1，堆（Heap）
JVM 管理的最大的一块内存区域，存放着对象的实例，是线程共享区。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。可以通过参数 -Xmx -Xms 来指定运行时堆内存的大小，如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再 扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。
堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为 “GC(Garbage Collected Heap)堆” 。
Java 堆的分类：
从内存回收的角度上看，可分为新生代（Eden空间，From Survivor空间、To Survivor空间）及老年代（Tenured Gen）。
从内存分配的角度上看，为了解决分配内存时的线程安全性问题，线程共享的JAVA堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（TLAB）。
TLAB（Thread Local Allocation Buffer，线程私有分配缓冲区）：
从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区 （Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提升对象分配时的效率。不过无论从什么角度，无论如 何划分，都不会改变Java堆中存储内容的共性，无论是哪个区域，存储的都只能是对象的实例，将Java 堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
虚拟机为新生对象分配内存时，存在可能出现正在给对象A分配内存，指针还未修改，对象B又同时使用原来的指针分配内存的情况（指针用于划分内存使用空间和空闲空间）。TLAB 的存在就是为了解决这个问题：每个线程在Java堆中预先分配一小块内存 TLAB，线程需要分配内存时首先在自己的TLAB上进行分配，若TLAB用完并分配新的TLAB时，再加同步锁定，这样就大大提升了对象内存分配的效率。
3.2，方法区（Method Area）
其实方法区是在JDK1.8以前的版本里存在的一块内存区域，主要就是存放从class文件里加载进来的类的，而且常量池也是在这块区域内的。
但是在JDK1.8之后，这块区域摇身一变，换了名字，叫做“Metaspace”，翻译过来就是“元数据空间”的意思，当然它只是改了个名，实现的功能是没变的。
方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，即时编译器后的代码缓存等数据。
1，类型信息
对每个加载的类型（类class、接口interface、枚举enum、注解annotation),JVM必须在方法区中存储以下类型信息:
①这个类型的完整有效名称（全名=包名.类名)
②这个类型直接父类的完整有效名(对于interface或是java.lang.0bject，都没有父类)
③这个类型的修饰符(public, abstract,final的某个子集)
④这个类型直接接口的一个有序列表
2，域信息（Field）成员变量
JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序。
域的相关信息包括:域名称、域类型、域修饰符(public, private,protected,static,final, volatile, transient的某个子集)
3，方法(Method)信息
当有多个线程都用到一个类的时候，而这个类还未被加载，则应该只有一个线程去加载类，让其他线程等待。
JVM必须保存所有方法的以下信息，同域信息一样包括声明顺序:
- 方法名称
- 方法的返回类型(或void) · 方法参数的数量和类型(按顺序)
- 方法的修饰符(public, private,protected,static, final,synchronized,native,abstract的一个子集)
- 方法的字节码(bytecodes)、操作数栈、局部变量表及大小(abstract和native方法除外)
方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫“非堆”。
3.3，虚拟机栈（JVM Stack）
虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫Java栈，每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的Java方法调用。
虚拟机栈的作用：主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。
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(包括参数)、操作栈、方法出口等信息。
每个方法被调用到执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
栈帧（Stack Frame） 是用于虚拟机执行时方法调用和方法执行时的数据结构，它是虚拟栈的基本元素，栈帧由局部变量区、操作数栈等组成，如下图所示：
每一个栈帧包含的内容有局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些额外的附加信息。在编译代码时，栈帧需要多大的局部变量表，多深的操作数栈都可以完全确定的，并写入到方法表的code属性中。
这个内存区域规定了两类异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚 拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩 展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。
3.4，本地方法栈（Native Stack）
与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机 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本地（Native） 方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失 败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
普通开发可以忽略二者的区别，JDK1.8 HotSpot虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
3.5，程序计数器（PC Register）
程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的 字节码的信号指示器。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，它是程序控制流的指示器，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、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（对于多核处理器来说是一个内核）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，各条线程 之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
此内存区域是唯 一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
⭐ 四，JVM 内存模型小结
Java Virtual Machine (JVM) 内存模型是指在 Java 程序执行过程中，JVM 是如何管理内存的一种抽象描述。它定义了 JVM 在运行 Java 程序时，如何划分和使用内存区域，以及各个区域的作用和生命周期。以下是 JVM 内存模型的主要组成部分的小结：
- 程序计数器（Program Counter）：
- 是一块较小的内存区域，用于存储当前线程执行的字节码指令地址。
- 在线程切换时，程序计数器会被保存和恢复，保证线程能够正确地从上次执行的位置继续执行。
- Java 虚拟机栈（JVM Stack）：
- 每个线程在运行时都会创建一个私有的 Java 虚拟机栈。
- 用于存储方法的局部变量、部分结果和操作数栈。
- 方法调用和返回都会在虚拟机栈中进行入栈和出栈操作。
- 本地方法栈（Native Method Stack）：
- 类似于 JVM 栈，但用于执行 Native 方法（由本地代码实现的方法）。
- Java 堆（Java Heap）：
- 是 JVM 中最大的一块内存区域。
- 用于存储对象实例和数组，被所有线程共享。
- Java 堆在 JVM 启动时创建，其大小可以通过命令行参数进行调整。
- 方法区（Method Area）：
- 用于存储已加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
- 方法区也被称为永久代（Permanent Generation），在较新的 JVM 版本中，被 Metaspace 取代。
- 运行时常量池（Runtime Constant Pool）：
- 是方法区的一部分，用于存储编译期生成的各种字面量和符号引用。
- 运行时常量池中的信息可在运行时被动态地修改，例如动态生成新的类。
- 直接内存（Direct Memory）：
- 不是 JVM 内存管理的一部分，但也与 Java NIO 密切相关。
- 直接内存通过 Native 方法直接分配在操作系统的内存中，而不受 Java 堆大小限制。
JVM 内存模型的具体实现可能因不同的 JVM 版本和厂商而有所不同。随着 JVM 的不断发展，一些细节可能会有所改变，例如使用 Metaspace 替代永久代等。因此，在实际应用中，要注意 JVM 的具体配置和版本，以充分利用内存，并避免出现内存相关的性能问题。