Java 内存模型（JMM）

1.概述

JMM，全称 Java Memory Model，中文释义Java内存模型

对于 Java 程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制下，不再需要像C/C++程序开发程序员那样为每一个 new 操作去写对应的 delete/free操作，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。正是因为 Java 程序把内存控制权利交给 JVM虚拟机。一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会是一个非常艰巨的任务。

2.运行时数据区域划分

• JDK 1.8之前分为：线程共享（Heap堆区、Method Area方法区）、线程私有（虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器）
• JDK 1.8以后分为：线程共享（Heap堆区、MetaSpace 元空间）、线程私有（虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器）

3. 程序计数器（Program Counter Register）

概述：程序计数器是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

程序计数器主要有两个作用：

1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
2. 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候，能够知道当前线程的运行位置。

注意：程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

4. Java 虚拟机栈（VM Stack）

JMM内存区域可以粗略的区分为堆内存（Heap）和栈内存 (Stack)。其中栈就是VM Stack虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

Java 虚拟机栈是由一个个栈帧组成，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。

每一次方法调用都会有一个对应的栈帧被压入 VM Stack虚拟机栈，每一个方法调用结束后，代表该方法的栈帧会从VM Stack虚拟机栈中弹出。

局部变量表主要存放了编译期可知的各种基本数据类型变量值（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）。

 JVM执行引擎运行时， 所有指令都只能针对当前活动栈帧进行操作。虚拟机栈通过 pop和 push的方式，对每个方法对应的活动栈帧进行运算处理，方法正常执行结束，肯定会跳转到另一个栈帧上。

Java 方法有两种返回方式会导致当前活动栈帧被弹出

• return 语句
• 抛出异常

Java 虚拟机栈会出现两种错误：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

• StackOverFlowError： 当线程请求栈的深度超过 JVM虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出 StackOverFlowError 错误。（可简单理解为站内栈帧数量过多）
• OutOfMemoryError： JVM的内存大小可以动态扩展， 如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。（栈帧过大）

5. 本地方法栈（Native Method Stack）

用于虚拟机调用的 Native方法在本地方法栈中也会创建一个栈帧，用于存放该native本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。方法执行完毕后，相应的栈帧也会出栈并释放内存空间。也会出现 StackOverFlowError和 OutOfMemoryError两种错误。

6. 堆（Heap）

Heap堆是JVM 所管理的内存中最大的一块区域，被所有线程共享的一块内存区域。堆区中存放对象实例，“几乎”所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

逃逸分析：如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用（也就是未逃逸出去），那么对象可以直接在栈上分配内存。

6.1堆中内存分配

Heap堆是垃圾收集器GC（Garbage Collected）管理的主要区域，因此堆区也被称作GC 堆（Garbage Collected Heap）。

从垃圾回收的角度，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 JVM中的堆区往往进行分代划分，例如：新生代 和 老年代。目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

6.2 创建对象的内存分配

创建一个新对象，在堆中的分配内存的过程。

大部分情况下，对象会在 Eden 区生成，当 Eden 区装填满的时候，会触发 Young Garbage Collection，即 YGC垃圾回收的时候，在 Eden 区实现清除策略，没有被引用的对象则直接回收。

依然存活的对象会被移送到 Survivor 区。Survivor 区分为 s0 和 s1 两块内存区域。每次 YGC的时候，它们将存活的对象复制到未使用的Survivor 空间（s0 或 s1），然后将当前正在使用的空间完全清除，交换两块空间的使用状态。每次交换时，对象的年龄会加+1。

如果 YGC 要移送的对象大于 Survivor 区容量的上限，则直接移交给老年代。一个对象也不可能永远呆在新生代，在 JVM 中 一个对象从新生代晋升到老年代的阈值默认值是 15，可以在 Survivor区交换 14 次之后，晋升至老年代。

堆区最容易出现的就是 OutOfMemoryError错误，这种错误的表现形式会有以下两种：

1. OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded ： 当 JVM花太多时间执行垃圾回收，并且只能回收很少的堆空间时，就会发生此错误。（但仍存在可使用空间）
2. OutOfMemoryError: Java heap space：假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发此错误。

7. 元空间（Meta Space） 

用于存放类信息、常量、静态变量、JIT即时编译器编译后的机器代码等数据。

7.1JDK1.6

HotSpot JVM 使用Method Area方法区存储，也叫永久代(PermanentGeneration)。

1. 方法区和“永久代(Permanent Generation)”的区别：方法区是JVM 的规范，而永久代(Permanent Generation)是 JVM规范的一种实现，并且只有 HotSpot JVM才有永久代“Permanent Generation”，而对于其他类型的虚拟机，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM） 并没有；
2. 方法区是一片连续的堆空间，当JVM加载的类信息容量超过了最大可分配空间，虚拟机会抛出OutOfMemoryError:PermGenspace的Error。
3. 永久代的GC是和老年代(old generation)捆绑在一起的，无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。

7.2JDK1.7

沿用永久代，但是将字符串常量池、静态变量转移到了堆区。

7.3JDK1.8以后

正式移除永久代，采用Meta Space元空间代替。

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的一种具体实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过运行参数来指定元空间的大小。

为什么使用元空间代替永久代呢？

• 由于 PermGen 内存经常会溢出，容易抛出 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen错误；
• 移除 PermGen 可以促进 HotSpot JVM 与 JRockit VM 的融合，因为 JRockit 没有永久代