小白都能看得懂的java虚拟机内存模型

喜欢ヅ旅行 2021-05-27 14:22 424阅读 0赞

一、虚拟机

二、虚拟机组成

1.栈

栈帧

2.程序计数器

3.方法区

对象组成

4.本地方法栈

5.堆

GC案例

一、虚拟机

同样的java代码在不同平台生成的机器码肯定是不一样的，因为不同的操作系统底层的硬件指令集是不同的。

同一个java代码在windows上生成的机器码可能是0101.......，在linux上生成的可能是1100......，那么这是怎么实现的呢？

不知道同学们还记不记得，在下载jdk的时候，我们在oracle官网，基于不同的操作系统或者位数版本要下载不同的jdk版本，也就是说针对不同的操作系统，jdk虚拟机有不同的实现。

那么虚拟机又是什么东西呢，如图是从软件层面屏蔽不同操作系统在底层硬件与指令上的区别，也就是跨平台的由来。

说到这里同学们可能还是有点不太明白，说的还是太宏观了，那我们来了解下java虚拟机的组成。

二、虚拟机组成

1.栈  
我们先讲一下其中的一块内存区域栈，大家都知道栈是存储局部变量的，也是线程独有的区域，也就是每一个线程都会有自己独立的栈区域。
````
public class Math {  
    public static int initData = 666;  
    public static User user = new User();  
   
    public int compute() {  
        int a = 1;  
        int b = 2;  
        int c = (a+b) * 10;  
        return c;  
    }  
   
    public static void main(String[] args) {  
        Math math = new Math();  
        math.compute();  
        System.out.println("test");  
    }  
}  
````
说起栈大家都不会陌生，数据结构中就有学，这里线程栈中存储数据的部分使用的就是栈，先进后出。

大家都知道每个方法都有自己的局部变量，比如上图中main方法中的math，compute方法中的a b c，那么java虚拟机为了区分不同方法中局部变量作用域范围的内存区域，每个方法在运行的时候都会分配一块独立的栈帧内存区域，我们试着按上图中的程序来简单画一下代码执行的内存活动。

执行main方法中的第一行代码是，栈中会分配main()方法的栈帧，并存储math局部变量,，接着执行compute()方法，那么栈又会分配compute()的栈帧区域。

这里的栈存储数据的方式和数据结构中学习的栈是一样的，先进后出。当compute()方法执行完之后，就会出栈被释放，也就符合先进后出的特点，后调用的方法先出栈。

栈帧  
那么栈帧内部其实不只是存放局部变量的，它还有一些别的东西，主要由四个部分组成。

那么要讲这个就会涉及到更底层的原理--字节码。我们先看下我们上面代码的字节码文件。

看着就是一个16字节的文件，看着像乱码，其实每个都是有对应的含义的，oracle官方是有专门的jvm字节码指令手册来查询每组指令对应的含义的。那我们研究的，当然不是这个。

jdk有自带一个javap的命令，可以将上述class文件生成一种更可读的字节码文件。

我们使用javap -c命令将class文件反编译并输出到TXT文件中。

Compiled from "Math.java" 
```` 
public class com.example.demo.test1.Math {  
  public static int initData;  
   
  public static com.example.demo.bean.User user;  
   
  public com.example.demo.test1.Math();  
    Code:  
       0: aload_0  
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V  
       4: return  
   
  public int compute();  
    Code:  
       0: iconst_1  
       1: istore_1  
       2: iconst_2  
       3: istore_2  
       4: iload_1  
       5: iload_2  
       6: iadd  
       7: bipush        10  
       9: imul  
      10: istore_3  
      11: iload_3  
      12: ireturn  
   
  public static void main(java.lang.String[]);  
    Code:  
       0: new           #2                  // class com/example/demo/test1/Math  
       3: dup  
       4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V  
       7: astore_1  
       8: aload_1  
       9: invokevirtual #4                  // Method compute:()I  
      12: pop  
      13: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;  
      16: ldc           #6                  // String test  
      18: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V  
      21: return  
   
  static {};  
    Code:  
       0: sipush        666  
       3: putstatic     #8                  // Field initData:I  
       6: new           #9                  // class com/example/demo/bean/User  
       9: dup  
      10: invokespecial #10                 // Method com/example/demo/bean/User."<init>":()V  
      13: putstatic     #11                 // Field user:Lcom/example/demo/bean/User;  
      16: return  
}  
````
此时的jvm指令码就清晰很多了，大体结构是可以看懂的，类、静态变量、构造方法、compute()方法、main()方法。

其中方法中的指令还是有点懵，我们举compute()方法来看一下：

Code:  
       0: iconst_1  
       1: istore_1  
       2: iconst_2  
       3: istore_2  
       4: iload_1  
       5: iload_2  
       6: iadd  
       7: bipush        10  
       9: imul  
      10: istore_3  
      11: iload_3  
      12: ireturn  
这几行代码就是对应的我们代码中compute()方法中的四行代码。大家都知道越底层的代码，代码实现的行数越多，因为他会包含一些java代码在运行时底层隐藏的一些细节原理。

那么一样的，这个jvm指令官方也是有手册可以查阅的，网上也有很多翻译版本，大家如果想了解可自行百度。

这里我只讲解本博文设计代码中的部分指令含义：

0. 将int类型常量1压入操作数栈

0: iconst_1       
这一步很简单，就是将1压入操作数栈

1.  将int类型值存入局部变量1

1: istore_1       
局部变量1，在我们代码中也就是第一个局部变量a，先给a在局部变量表中分配内存，然后将int类型的值，也就是目前唯一的一个1存入局部变量a

2. 将int类型常量2压入操作数栈

2: iconst_2  
3.  将int类型值存入局部变量2

3: istore_2  
这两行代码就和前两行类似了。

4. 从局部变量1中装载int类型值

4: iload_1  
5. 从局部变量2中装载int类型值

5: iload_2  
这两个代码是将局部变量1和2，也就是a和b的值装载到操作数栈中

6. 执行int类型的加法

6: iadd  
iadd指令一执行，会将操作数栈中的1和2依次从栈底弹出并相加，然后把运算结果3在压入操作数栈底。

7. 将一个8位带符号整数压入栈

7: bipush        10  
 这个指令就是将10压入栈

8. 执行int类型的乘法

9: imul  
这里就类似上面的加法了，将3和10弹出栈，把结果30压入栈

9. 将将int类型值存入局部变量3

10: istore_3  
这里大家就不陌生了吧，和第二步第三步是一样的，将30存入局部变量3，也就是c

10. 从局部变量3中装载int类型值

11: iload_3  
这个前面也说了

11. 返回int类型值

12: ireturn  
这个就不用多说了，就是将操作数栈中的30返回

到这里就把我们compute()方法讲解完了，讲完有没有对局部变量表和操作数栈的理解有所加深呢？说白了赋值号=后面的就是操作数，在这些操作数进行赋值，运算的时候需要内存存放，那就是存放在操作数栈中，作为临时存放操作数的一小块内存区域。

接下来我们再说说方法出口。

方法出口说白了不就是方法执行完了之后要出到哪里，那么我们知道上面compute()方法执行完之后应该回到main()方法第三行那么当main()方法调用compute()的时候，compute()栈帧中的方法出口就存储了当前要回到的位置，那么当compute()方法执行完之后，会根据方法出口中存储的相关信息回到main()方法的相应位置。

那么main()方同样有自己的栈帧，在这里有些不同的地方我们讲一下。

我们上面已经知道局部变量会存放在栈帧中的局部变量表中，那么main()方法中的math会存入其中，但是这里的math是一个对象，我们知道new出来的对象是存放在堆中的

那么这个math变量和堆中的对象有什么联系呢？是同一个概念么？

当然不是的，局部变量表中的math存储的是堆中那个math对象在堆中的内存地址

2.程序计数器  
程序计数器也是线程私有的区域，每个线程都会分配程序计数器的内存，是用来存放当前线程正在运行或者即将要运行的jvm指令码对应的地址，或者说行号位置。

上述代码中每个指令码前面都有一个行号，你就可以把它看作当前线程执行到某一行代码位置的一个标识，这个值就是程序计数器的值。

那么jvm虚拟机为什么要设置程序计数器这个结构呢？就是为了多线程的出现，多线程之间的切换，当一个程序被挂起的时候，总是要恢复的，那么恢复到哪个位置呢，总不能又重新开始执行吧，那么程序计数器就解决了这个问题。

3.方法区  
在jdk1.8之前，有一个名称叫做持久带/永久代，很多同学应该听过，在jdk1.8之后，oracle官方改名为元空间。存放常量、静态变量、类元信息。  
````
public static int initData = 666;  
````
这个initData就是静态变量，毋庸置疑是存放在方法区的
````
public static User user = new User();  
````
那么这个user就有点不一样了，user变量放在方法区，new的User是存放在堆中的

到这里我们就能意识到栈，堆，方法区之间都是有联系的。

栈中的局部变量，方法区中的静态变量，如果是对象类型的话都会指向堆中new出来中的对象，那么红色的联系代表什么呢？我们先来了解一下对象。

对象组成  
你对对象的了解有多少呢，天天用对象，你是否知道对象在虚拟机中的存储结构呢？

对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。下图是普通对象实例与数组对象实例的数据结构：

对象头

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息：

Mark Word  
        第一部分markword,用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为“MarkWord”。

Klass Pointer  
        对象头的另外一部分是klass类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例.

数组长度（只有数组对象有）  
        如果对象是一个数组, 那在对象头中还必须有一块数据用于记录数组长度.

实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。

对齐填充

第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

其中的klass类型指针就是那条红色的联系，那是怎么联系的呢？
````
new Thread().start();

````
类加载其实最终是以类元信息的形式存储在方法区中的，math和math2都是由同一个类new出来的，当对象被new时，都会在对象头中存储一个指向类元信息的指针，这就是Klass  Pointer.

到这里我们就讲解了栈，程序计数器和方法区，下面我们简单介绍一下本地方法区，最后再终点讲解堆。

4.本地方法栈  
实际上现在本地方法栈已经用的比较少了，大家应该都有听过本地方法吧

如何经常用的线程类
````
new Thread().start();  
public synchronized void start() {  
        if (threadStatus != 0)  
            throw new IllegalThreadStateException();  
        group.add(this);  
        boolean started = false;  
        try {  
            start0();  
            started = true;  
        } finally {  
            try {  
                if (!started) {  
                    group.threadStartFailed(this);  
                }  
            } catch (Throwable ignore) {  
            }  
        }  
    }  
````
其中底层调用了一个start0()的方法

private native void start0();  
这个方法没有实现，但又不是接口，是使用native修饰的，是属于本地方法，底层通过C语言实现的，那java代码里为什么会有C语言实现的本地方法呢？

大家都知道JAVA是问世的，在那之前一个公司的系统百分之九十九都是使用C语言实现的，但是java出现后，很多项目都要转为java开发，那么新系统和旧系统就免不了要有交互，那么就需要本地方法来实现了，底层是调用C语言中的dll库文件，就类似于java中的jar包，当然，如今跨语言的交互方式就很多了，比如thrift，http接口方式，webservice等，当时并没有这些方式，就只能通过本地方法来实现了。

那么本地方法始终也是方法，每个线程在运行的时候，如果有运行到本地方法，那么必然也要产生局部变量等，那么就需要存储在本地方法栈了。如果没有本地方法，也就没有本地方法栈了。

5.堆  
最后我们讲堆，堆是最重要的一块内存区域，我相信大部分人对堆都不陌生。但是对于它的内部结构，运作细节想要搞清楚也没那么简单。

对于这个基本组成大家应该都有所了解，对就是由年轻代和老年代组成，年轻代又分为伊甸园区和survivor区，survivor区中又有from区和to区.

我们new出来的对象大家都知道是放在堆中，那具体放在堆中的哪个位置呢？

其实new出来的对象一般都放在Eden区，那么为什么叫伊甸园区呢，伊甸园就是亚当夏娃住的地方，不就是造人的地方么？所以我们new出来的对象就是放在这里的，那当Eden区满了之后呢？

假设我们给对分配600M内存，这个是可以通过参数调节的，我们后文再讲。那么老年代默认是占2/3的，也就是差不多400M，那年轻代就是200M，Eden区160M，Survivor区40M。

一个程序只要在运行，那么就不会不停的new对象，那么总有一刻Eden区会放满，那么一旦Eden区被放满之后，虚拟机会干什么呢？没错，就是gc，不过这里的gc属于minor gc，就是垃圾收集，来收集垃圾对象并清理的，那么什么是垃圾对象呢？

好比我们上面说的math对象，我们假设我们是一个web应用程序，main线程执行完之后程序不会结束，但是main方法结束了，那么main()方法栈帧会被释放，局部变量会被释放，但是局部变量对应的堆中的对象还是依然存在的，但是又没有指针指向它，那么它就是一个垃圾对象，那就应该被回收掉了，之后如果还会new Math对象，也不会用这个之前的了，因为已经无法找到它了，如果留着这个对象只会占用内存，显然是不合适的。

这里就涉及到了一个GC Root根以及可达性分析算法的概念，也是面试偶尔会被问到的。

可达性分析算法是将GC Roots对象作为起点，从这些起点开始向下搜索引用的对象，找到的对象都标记为非垃圾对象，其余未标记的都是垃圾对象。

那么GC Roots根对象又是什么呢，GC Roots根就是判断一个对象是否可以回收的依据，只要能通过GC Roots根向下一直搜索能搜索到的对象，那么这个对象就不算垃圾对象，而可以作为GC Roots根的有线程栈的本地变量，静态变量，本地方法栈的变量等等，说白了就是找到和根节点有联系的对象就是有用的对象，其余都认为是垃圾对象来回收。

经历了第一次minor gc后，没有被清理的对象就会被移到From区，如上图。

上面在说对象组成的时候有写到，在对象头的Mark Word中有存储GC分代年龄，一个对象每经历一次gc，那么它的gc分代年龄就会+1，如上图。

那么如果第二次新的对象又把Eden区放满了，那么又会执行minor gc，但是这次会连着From区一起gc，然后将Eden区和From区存活的对象都移到To区域，对象头中分代年龄都+1，如上图。

那么当第三次Eden区又满的时候，minor gc就是回收Eden区和To区域了，TEden区和To区域还活着的对象就会都移到From区，如上图。说白了就是Survivor区中总有一块区域是空着的，存活的对象存放是在From区和To区轮流存放，也就是互相复制拷贝，这也就是垃圾回收算法中的复制-回收算法。

如果一个对象经历了一个限值15次gc的时候，就会移至老年代。那如果还没有到限值，From区或者To区域也放不下了，就会直接挪到老年代，这只是举例了两种常规规则，还有其他规则也是会把对象存放至老年代的。

那么随着应用程序的不断运行，老年代最终也是会满的，那么此时也会gc，此时的gc就是Full gc了。

GC案例  
下面我们通过一个简单的演示案例来更加清楚的了解GC。
````
public class HeapTest {  
    byte[] a = new byte[1024*100];  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        ArrayList<HeapTest> heapTest = new ArrayList<>();  
        while(true) {  
            heapTest.add(new HeapTest());  
            Thread.sleep(10);  
        }  
    }  
}  
````
这块代码很明显，就是一个死循环，不断的往list中添加new出来的对象。

我们这里使用jdk自带的一个jvm调优工具jvisualvm来观察一下这个代码执行的的内存结构。

运行代码打开之后我们可以看到这样的界面：

我们在左边的应用程序中可以看到我们运行的这个代码，右边是它的一些jvm，内存信息，我们这里不关注，我们需要用到的是最后一个Visual GC面板，这是一个插件，如果你的打开没有这一栏的话，可以再工具栏的插件中进行下载安装。

打开visual GC，我们先看一下界面大概的布局，

其中老年代(Olc)，伊甸园区(Eden)，S0(From)，S1(To)几个区域的内存和动态分配图都是清晰可见，以一对应的。

我们选择中间一张图给大家对应一下上面所讲的内容：

1：对象放入Eden区

2：Eden区满发生minor gc

3：第二步的存活对象移至From(Survivor 0)区

4：Eden区再满发生minor gc

5：第四步存活的对象移至To(Survivor 1)区

这里可以注意到From和To区域和我们上面所说移至，总有一个是空的。