JVM基础（2）——JVM内存模型

一、简介

JVM会加载类到内存中，所以 JVM 中必然会有一块内存区域来存放我们写的那些类。Java中有类对象、普通对象、本地变量、方法信息等等各种对象信息，所以JVM会对内存区域进行划分：

JDK1.8及以后，上图中的方法区变成了Metaspace——元数据区。

我们本章的目的，就是介绍JVM中各块内存区域的功能，其中都是存放的哪些java对象信息。

二、方法区

方法区只存在于JDK1.8以前的版本，主要是存储从”.class“文件里加载进来的类，包括 类的名称 、 方法信息 、 字段信息 、 静态变量 、 常量 以及 编译器编译后的代码 等。从JDK1.8开始，这块区域的名字改成了元数据区（Metaspace），元数据区直接使用本地内存。

默认情况下，元数据区会根据使用情况动态调整，避免了在JDK1.8以前由于加载类过多从而出现 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。但也不能无限扩展，因此可以使用 -XX:MaxMetaspaceSize来控制最大内存。

以上一章的示例来看，Kafka.class和ReplicaManager.class加载到JVM后，会放到方法区中：

    public class Kafka {
        public static void main(String[] args) {
            ReplicaManager manager = new ReplicaManager();
        }
    }

方法区/元数据区是所有线程共享的：

三、程序计数器

程序计数器，用来记录当前线程正在执行的字节码指令。我们还是继续以上一章的代码作为示例来讲解：

    public class Kafka {
        public static void main(String[] args) {
            ReplicaManager manager = new ReplicaManager();
            manager.loadReplicaFromDisk();
        }
    }

首先，上面这段.java源程序会被编译成.class文件，.class中存放的是JVM可以读懂的字节码，比如下面这样

    public java.lang.String getName();
        descriptor: ()Ljava/lang/String;
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
            stack=1, locals=1, args_size=1
                0: aload_0
                1: get_field    #2
                4: areturn

当JVM加载类信息到内存之后，实际就会使用自己的 字节码执行引擎 ，去执行这些字节码指令，如下图：

程序计数器的作用就在这里，它会 记录当前执行的字节码指令的位置 ，如下图：

程序计数器是 线程私有 的，也就是说每个线程都有个自己的程序计数器，记录当前线程执行到了哪一条字节码指令：

四、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈，其实是一种表示Java方法执行的数据结构。每个方法被执行的时候，都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储 局部变量表 、 操作栈 、 动作链接 、 方法出口 等信息。每个方法从被调用到执行完成的过程，其实就是一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

下面的这段程序，肯定有一个main线程来执行main()方法里面的代码，方法内部我们通常会定义一些局部变量，比如manager，JVM中必须有一块区域来保存方法中的这些数据，这个就是Java虚拟机栈，Java虚拟机栈是 线程私有 的。

    public class Kafka {
        public static void main(String[] args) {
            ReplicaManager manager = new ReplicaManager();
            manager.loadReplicaFromDisk();
        }
    }

    public class ReplicaManager {
        public static void loadReplicaFromDisk() {
            Boolean hashFinishedLoad = false;
        }
    }

比如main线程执行了main()方法，那么就会创建一个栈帧（里面存放manager局部变量），并将其压入main线程自己的Java虚拟机栈中，如下图：

然后main线程继续执行loadReplicaFromDisk方法，遇到方法内部的hashFinishedLoad局部变量，就会再创建一个栈帧，压入自己的虚拟机栈中：

上述就是JVM中的”Java虚拟机栈“这个组件的作用： 调用任何方法时，为方法创建栈帧然后入栈，栈帧里存放了这个方法对应的局部变量之类的数据（也包括方法执行的其它相关信息），方法执行完毕后就出栈。

五、Java堆内存

Java堆内存，这是JVM内存区域中最重要的一块区域，存放着各种Java对象，是线程共享区域。

下面代码中，new ReplicaManager()创建了一个对象实例，这个对象实例的相关信息就存放在Java堆内存中：

    public class Kafka {
        public static void main(String[] args) {
            ReplicaManager manager = new ReplicaManager();
            manager.loadReplicaFromDisk();
        }
    }

main线程在执行main()方法时，会为其创建一个栈帧并入栈，栈帧中的局部变量manager存放着ReplicaManager对象实例在Java堆内存中的地址：

六、本地方法栈

本地方法栈，其作用和Java虚拟机栈类似，区别在于本地方法栈是为虚拟机所使用到的 Native方法 服务，而Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务。本地方法栈也是线程私有的。

JDK中的很多底层API，比如IO、NIO、网络等，如果大家去看它的源码，会发现很多地方是调用的native修饰的方法，比如下面这样：

    public native int hashCode();

在调用native方法时，也会有线程对应的栈来保存native方法底层用到的局部变量表之类的信息，这就是本地方法栈的作用。

七、总结

本章，我们通过代码的执行流程讲解了JVM的内存模型，读者需要重点关注方法区、程序计数器、Java虚拟机栈、Java堆内存与程序执行逻辑的关系，其中Java堆内存是我们后面章节要关注的重点区域。