JVM内存模型——JAVA的根基

「爱情、让人受尽委屈。」 2022-02-19 02:01 193阅读 0赞

# **抽象** #

**![b941a038303f37cfceb7d3b4d3f3d34646d.jpg][]**

# **解析** #

## **程序计数器** ##

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*  程序计数器（Program Counter Register）是[JVM][]中一块较小的内存区域，保存着当前线程执行的虚拟机字节码指令的内存地址（可以看作当前线程所执行的字节码的行号指示器）。
 *  如果线程执行的是java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址（可以理解为上图所示的行号），如果正在执行的是native方法，这个计数器的值为undefined。
 *  JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配CPU执行时间片的方式来实现的，任何一个时刻，一个CPU都只会执行一条线程中的指令。为了保证线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各线程间的程序计数器独立存储，互不影响。
 *  此区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域，因为程序计数器是由虚拟机内部维护的，不需要开发者进行操作。

## **虚拟机栈** ##

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虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）是线程隔离的，每创建一个线程时就会对应创建一个Java栈，即每个线程都有自己独立的虚拟机栈。这个栈中又会对应包含多个栈帧，**每调用一个方法时就会往栈中创建并压入一个栈帧**，栈帧存储**局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口**等信息，每一个方法从调用到最终返回结果的过程，就对应一个栈帧从入栈到出栈的过程。

虚拟机栈是一个后入先出的数据结构，线程运行过程中，**只有处于栈顶的栈帧才是有效的，称为当前栈帧**，与这个栈帧相关联的方法称为当前方法，当前活动帧栈始终是虚拟机栈的栈顶元素。

*  局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型和对象引用类型。通常我们所说的“**栈内存**”指的就是局部变量表这一部分。
 *  局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧分配多少内存是固定的，运行期间不会改变局部变量表的大小。
 *  [64位][64]的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间，其余的数据类型只占用1个。

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栈的大小可以固定也可以动态扩展。

*  在固定大小的情况下，JVM会为每个线程的虚拟机栈分配一定的内存大小（-Xss参数），因此虚拟机栈能够容纳的栈帧数量是有限的，若栈帧不断进栈而不出栈，最终会导致当前线程虚拟机栈的内存空间耗尽，会抛出StackOverflowError异常。
 *  在动态扩展的情况下，当整个虚拟机栈内存耗尽，并且无法再申请到新的内存时，就会抛出OutOfMemoryError异常。

栈溢出代码：

public class StackOverFlow {
    	public static void main(String[] args){
    		new StackOverFlow().test();
    	}
    
    	private void test() {
    		System.out.println("run...");
    		test();
    	}
    }

（在单个线程下，无论是由于栈帧太大，还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是 StackOverflowError 异常，而不是OOM。）

run...Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    	at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeLoop(UTF_8.java:691)
    	at java.nio.charset.CharsetEncoder.encode(CharsetEncoder.java:579)

堆溢出代码：（由于在Windows 平台的虚拟机中， Java 的线程是映射到操作系统的内核线程上的，所以多线程代码执行时有较大的风险，可能会导致操作系统崩溃。）

public class JavaVMStackOOM {
    
        private void dontStop() {
            while (true) {
            }
        }
    
        //通过不断的创建新的线程使Stack内存耗尽
        public void stackLeakByThread() {
            while (true) {
                Thread thread = new Thread(() -> dontStop());
                thread.start();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
            oom.stackLeakByThread();
        }
    
    }

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

## **本地方法栈** ##

*  本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈，均具有线程隔离的特点以及都能抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
 *  不同的是，本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法，而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法。
 *  HotSpot虚拟机不区分虚拟机栈和本地方法栈，两者是一块的。

## **方法区** ##

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*  保存在着被加载过的每一个类的信息（虚拟机加载的类信息（类的版本、字段、方法、接口），常量，静态变量，即时编译器编译后的代码等数据）；这些信息由类加载器在加载类的时候，从类的源文件中抽取出来；static变量信息也保存在方法区中。
 *  可以看做是将类（Class）的元数据，保存在方法区里。
 *  方法区逻辑上属于**堆的一部分**，但是为了与堆进行区分，通常又叫“**非堆**”。
 *  HotSpot虚拟机使用**永久代来实现方法区**，使得HotSpot虚拟机的垃圾收集器可以像管理堆内存一样来管理这部分内存，能省去专门为方法区编写内存管理代码工作。所以开发者喜欢将方法区称为永久代，本质上两者并不等价，对于其他虚拟机来说不存在永久代的概念。
 *  方法区是线程共享的；当有多个线程都用到一个类的时候，而这个类还未被加载，则应该只有一个线程去加载类，让其他线程等待。
 *  方法区的大小不必是固定的，jvm可以根据应用的需要动态调整。jvm也可以允许用户和程序指定方法区的初始大小，最小和最大限制。
 *  方法区同样存在垃圾收集，因为通过用户定义的类加载器可以动态扩展Java程序，这样可能会导致一些类，不再被使用，变为垃圾。这时候需要进行垃圾清理。

## **堆**  ##

*  JVM管理的最大的一块内存区域，存放着对象的实例，是线程共享区。
 *  堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为“GC堆”。
 *  JAVA堆的分类：

从内存回收的角度上看，可分为新生代（Eden空间，From Survivor空间、To Survivor空间）及老年代（Tenured Gen）。

从内存分配的角度上看，为了解决分配内存时的线程安全性问题，线程共享的JAVA堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（TLAB）。

*  JAVA堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。
 *  可通过参数 -Xmx -Xms 来指定运行时堆内存的大小，堆内存空间不足也会抛OutOfMemoryError异常。

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[JVM]: https://www.bdm361.com/portal/article/index/id/82.html
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[64]: https://www.baidu.com/s?wd=64%E4%BD%8D&tn=24004469_oem_dg&rsv_dl=gh_pl_sl_csd
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