Java核心篇-JVM内存模型

JVM是我们成为一名架构师必须要掌握的一个知识体系，也是我们和一般只会敲代码的程序员特别能体现差距的地方。而JVM的数据结构基础，也就是它的内存模型，是它入门的第一课。下面我将分成3个方面向大家介绍JVM内存模型。

1. JVM介绍

2. JVM整体架构

3. JVM内存结构

4. 后记

JVM介绍

1.虚拟机是啥

虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。通俗的讲就是用软件模拟的一台物理机。

很多时候，在我们需要用到多台电脑的时候，但是手头紧，就可以使用虚拟机模拟出新的电脑去使用。

常用的虚拟机有VMWare（一般多用模拟linux系统），Virtual Box（做App的模拟），Java Virtual Machine（JVM）

2.JVM是啥

JVM全称是Java Virtual Machine（java虚拟机），你可以这样理解：JVM是以java字节码（class文件）为机器码的物理机。java通过它实现了一处编译、处处运行的豪言壮语，任何机器上只要装了JVM，我都可以把编译打包好的java代码放上去运行！！！。

3.市面上的JVM

Sun HotSpot VM、BEA JRockit VM、IBM J9 VM、Azul VM、Apache Harmony、Google Dalvik VM、Microsoft JVM

这里面用的很多的有Sun HotSpot VM、BEA JRockit VM、IBM J9 VM，其中前两个已经被Oracle收购了，后面的那个，听说Oracle也想收购来着，可是想了想，太贵了，也就放弃了。

JVM整体架构

1.JVM的内部结构

JVM分成3个部分，如下：

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1. 类加载器：负责加载.class文件存入运行时数据区

2. 运行时数据区（内存结构）：负责存储运行时的数据的地方

3. 执行引擎：输入字节码，执行相应的指令，输出结果

我们可以把他们3者的关系看成是，CPU（执行引擎），内存（运行时数据区），文件系统驱动（类加载器），首先由文件系统的驱动（类加载器）去读取.class文件，存入内存（运行时数据区）中，CPU（执行引擎）通过和内存（运行时数据区）交互，得到计算结果。

2.运行时数据区结构

运行时数据区在java设计规范中分成了五个部分，分别是程序计数器，Java栈，本地方法栈，Java堆以及方法区，介绍如下：

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• 程序计数器（线程私有）：是一个指针，指向下一条指令的地址，也就是告诉执行引擎，该线程下一步要执行的指令，需要空间很小

• Java栈（线程私有）：Java线程执行方法的内存模型，一个线程对应一个栈，用于存储java方法中的私有数据，它的生命周期和线程一致。只要线程一结束该栈就会释放，不需要垃圾回收。

• 本地方法栈（线程私有）：和Java栈类似，本地方法（native方法），也就是早期用C/C++实现的方法也有栈，在Execution Engine执行时加载本地方法库

• Java堆（线程共有）：存储那些对于占用地址较大，创建成本比较高的数据，也就是我们创建的对象实例。

• 方法区（线程共有）：类的所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，是类加载器存储class文件信息的地方，静态变量+常量+类信息(构造方法/接口定义)+运行时常量池都存在方法区中。

大家可以发现，这里面提到了线程私有和线程共有，指的是对于每一个新的线程，都会创建一个程序技术器、java栈和本地方法栈，一旦线程结束，这些都会被销毁，而java堆和方法区只有在所有的线程都执行完的时候才会被销毁的。

3.Java栈的内存模型

栈，是一个先进先出的数据结构。在java栈内，会对每一个执行到的java方法都会创建一个栈帧，放入栈内，一旦栈帧执行完毕就会出栈，继续执行最外层的栈帧，直到所有的栈帧都出栈了，线程也就执行完毕了。

对于每一个栈帧，里面都有4个部分，分别是局部变量表、操作数栈、动态链接以及返回地址；

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• 局部变量表：记录当前方法参数以及内部定义的局部变量

• 操作数栈：记录当前的操作数

• 动态链接：表示对内部方法的调用，无法在类加载阶段或第一次使用时直接确定的，由每一次调用所确定方法引用，称之为动态链接

• 返回地址：方法结束，返回上层方法以及恢复上层方法执行状态所需的信息

4. Java堆介绍

为了能够更好的对对象进行垃圾回收，java设计对堆进行了分代，这样可以方便对存活时间不同的对象进行处理，分成了2个部分：

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1. 年轻代：用于存放新产生的对象。年轻代分为两部分： 伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor pace） 。所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个： 0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1 space）。当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC)，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存 0区。若幸存 0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区，如果还是满了，就到老年代。

2. 老年代：用于存放被长期引用的对象。新生区经过多次GC仍然存活的对象移动到老年区。若老年区也满了，那么这个时候将产生MajorGC（FullGC），进行老年区的内存清理。若老年区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError。

5. 方法区介绍

虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。所以这一部分我也就单独拿出来说明了。

可能大家对这一个名字听的不是很多，但可能大家听过永久代或持久代的会更多一点，永久代是HotSpot JVM 在java8之前对方法区的实现，这个名称也是相对年轻代和老年代来说，他们的FullGC也会对永生代进行垃圾回收。

在java8之后，永久代被代替了，换成了元空间区，两者本质都是对JVM规范中方法区的实现，区别在于元数据区并不在虚拟机中，而是使用本地物理内存，这样的话，方法区的大小也就不那么容易收到限制，而永久代在虚拟机中，永久代逻辑结构上属于堆，但是物理上不属于堆，堆大小=新生代+老年代。元数据区也有可能发生OutOfMemory异常，

元数据区的动态扩展，默认–XX:MetaspaceSize值为21MB的高水位线。一旦触及则Full GC将被触发并卸载没有用的类（类对应的类加载器不再存活），然后高水位线将会重置。新的高水位线的值取决于GC后释放的元空间。如果释放的空间少，这个高水位线则上升。如果释放空间过多，则高水位线下降。

后记

1.为什么jdk1.8用元数据区取代了永久代？

首先我们来看看官方解释：移除永久代是为融合HotSpot JVM与 JRockit VM而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代；

除此之外，我觉得应该还有其他考虑：去除永久代后分代GC可以减少复杂性，不用考虑永久代的gc；不用指定PermSize，指定太小容易造成永久代OOM

2.既然有动态链接，那静态链接呢？

解析调用一定是个静态过程，在编译期间就完全确定，在类加载的解析阶段就会把涉及的符号引用转化为可确定的直接引用，不会延迟到运行期再去完成，这也就是Java中的静态链接。

在Class文件中的常量持中存有大量的符号引用。字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用作为参数。这些符号引用一部分在类的加载阶段（解析）或第一次使用的时候就转化为了直接引用（指向数据所存地址的指针或句柄等），这种转化称为静态链接。而相反的，另一部分在运行期间转化为直接引用，就称为动态链接。

通俗一点就是说能在类加载阶段就能确定的方法调用，是静态链接，如果要在运行时确定的话，那就是动态链接了，我们通过这样的特性可以实现多态。

后面我们将继续编写几篇jvm类加载以及调优等相关知识，敬请期待哦。如果我有写的不对的地方，欢迎大家来指正，让我们在互联网架构师之路上越走越远，感谢大家的陪伴，谢谢大家啦~

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