一文读懂Java内存模型（JMM）

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前言

Java内存模型（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++程序开发程序员这样为每一个 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。

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一、运行时数据区域划分

JVM虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域。

• 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）；
  

二、程序计数器（Program Counter Register）

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。（if…eles、for等均依靠程序计数器实现）
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。

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。

三、Java 虚拟机栈（VM Stack）

与程序计数器一样，VM Stack虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期和线程相同，用于描述 Java 方法执行时的内存模型，每次方法调用的数据都是通过栈传递的。
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。并且在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。
异常类型：
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。
● 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。

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四、本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈用于虚拟机调用的 Native方法。
native关键字修饰的本地方法被执行的时候，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。

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五、堆（Heap）

Heap堆区，用于存放对象实例和数组的内存区域。
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。

新生代、老年代

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。

创建对象的内存分配

• 创建一个新对象，在堆中的分配内存。
• 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。
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。

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六、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等。例如：java.lang.Object类的元信息、Integer.MAX_VALUE常量等。

JDK1.6：

• HotSpot JVM 使用Method Area方法区存储，也叫永久代(Permanent Generation)。
• 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。
• 可以通过 -XX:PermSize=N 设置 方法区 (永久代) 初始空间，-XX:MaxPermSize=N 设置方法区 (永久代) 最大空间,超过这个值将会抛出错误：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。
  

JDK1.7：

• 将字符串常量池、静态变量转移到了堆区。
  

JDK1.8：

• 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。
• 元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。
  

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七、扩展：字符串常量池

1.String的两种创建方式：
● 第一种方式是在常量池中获取字符串对象；
● 第二种方式是直接在堆内存空间创建一个新的字符串对象；

// 先检查字符串常量池中有没有"abcd"，如果字符串常量池中没有，则创建一个，然后 str1 指向字符串常量池中的对象，如果有，则直接将 str1 指向"abcd"
String str1 = "yangshulin"; 
String str2 = new String("yangshulin"); //堆中创建一个新的对象
String str3 = new String("yangshulin"); //堆中创建一个新的对象

System.out.println(str1==str2); //false
System.out.println(str2==str3); //false

2.String的intern() 方法：
检查指定字符串在常量池中是否存在？如果存在，则返回地址，如果不存在，则在常量池中创建;

String s1 = new String("yangshulin");
String s2 = s1.intern(); // 查看字符串常量池中是否存在"yangshulin"，如果存在则返回地址，如果不存在，则在常量池中创建
String s3 = "yangshulin"; // 使用常量池中的已有字符串常量"yangshulin"

System.out.println(s2 == s3); // true，地址相同

3.String的拼接：

String str1 = "str";
String str2 = "ing";

String str3 = "str" + "ing"; // 常量池中的新字符串对象
String str4 = str1 + str2; // 在堆中创建的新字符串对象
String str5 = "string"; // 常量池中的已有字符串对象

System.out.println(str3 == str4); //false
System.out.println(str3 == str5); //true
System.out.println(str4 == str5); //false

4.String s1 = new String(“abc”);这句代码创建了几个字符串对象？
创建 1 或 2 个字符串。
如果常量池中已存在字符串常量“abc”，则只会在堆空间创建一个字符串常量“abc”。如果常量池中没有字符串常量“abc”，那么它将首先在池中创建，然后在堆空间中创建，因此将创建总共 2 个字符串对象。

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