Java虛擬機(jī)內(nèi)存模型

Java虛擬機(jī)內(nèi)存模型中定義的訪問操作與物理計算機(jī)處理的基本一致！

Java中通過多線程機(jī)制使得多個任務(wù)同時執(zhí)行處理，所有的線程共享JVM內(nèi)存區(qū)域main memory，而每個線程又單獨的有自己的工作內(nèi)存，當(dāng)線程與內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行交互時，數(shù)據(jù)從主存拷貝到工作內(nèi)存，進(jìn)而交由線程處理（操作碼+操作數(shù)）。更多信息我們會在后面的《深入JVM—JVM類執(zhí)行機(jī)制中詳細(xì)解說》。

在之前，我們也已經(jīng)提到，JVM的邏輯內(nèi)存模型如下：

我們現(xiàn)在來逐個的看下每個到底是做什么的！

1、程序計數(shù)器

程序計數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在虛擬機(jī)的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機(jī)可能會通過一些更高效的方式去實現(xiàn)），字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。

由于Java 虛擬機(jī)的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間的方式來實現(xiàn)的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對于多核處理器來說是一個內(nèi)核）只會執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器，各條線程之間的計數(shù)器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域為“線程私有”的內(nèi)存。

如果線程正在執(zhí)行的是一個Java 方法，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Natvie 方法，這個計數(shù)器值則為空（Undefined）。此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。

2、Java 虛擬機(jī)棧

與程序計數(shù)器一樣，Java 虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法被執(zhí)行的時候都會同時創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame ①）用于存儲局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程。

經(jīng)常有人把Java 內(nèi)存區(qū)分為堆內(nèi)存（Heap）和棧內(nèi)存（Stack），這種分法比較粗糙，Java 內(nèi)存區(qū)域的劃分實際上遠(yuǎn)比這復(fù)雜。這種劃分方式的流行只能說明大多數(shù)程序員最關(guān)注的、與對象內(nèi)存分配關(guān)系最密切的內(nèi)存區(qū)域是這兩塊。其中所指的“堆”在后面會專門講述，而所指的“棧”就是現(xiàn)在講的虛擬機(jī)棧，或者說是虛擬機(jī)棧中的局部變量表部分。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference 類型，它不等同于對象本身，根據(jù)不同的虛擬機(jī)實現(xiàn)，它可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?#xff0c;也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關(guān)的位置）和returnAddress 類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。

其中64 位長度的long 和double 類型的數(shù)據(jù)會占用2 個局部變量空間（Slot），其余的數(shù)據(jù)類型只占用1 個。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會改變局部變量表的大小。

在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中，對這個區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError 異常；如果虛擬機(jī)棧可以動態(tài)擴(kuò)展（當(dāng)前大部分的Java 虛擬機(jī)都可動態(tài)擴(kuò)展，只不過Java 虛擬機(jī)規(guī)范中也允許固定長度的虛擬機(jī)棧），當(dāng)擴(kuò)展時無法申請到足夠的內(nèi)存時會拋出OutOfMemoryError 異常。

3、本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java 方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用到的Native 方法服務(wù)。虛擬機(jī)規(guī)范中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)（譬如Sun HotSpot 虛擬機(jī)）直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。

與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會拋出StackOverflowError 和OutOfMemoryError異常。

4、Java 堆

對于大多數(shù)應(yīng)用來說，Java 堆（Java Heap）是Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java 堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內(nèi)存。這一點在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中的描述是：所有的對象實例以及數(shù)組都要在堆上分配①，但是隨著JIT 編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)的逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換②優(yōu)化技術(shù)將會導(dǎo)致一些微妙的變化發(fā)生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對”了。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時候也被稱做“GC 堆”（GarbageCollected Heap，幸好國內(nèi)沒翻譯成“垃圾堆”）。如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java 堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代；再細(xì)致一點的有Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等。如果從內(nèi)存分配的角度看，線程共享的Java 堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩沖區(qū)（Thread LocalAllocation Buffer，TLAB）。不過，無論如何劃分，都與存放內(nèi)容無關(guān)，無論哪個區(qū)域，存儲的都仍然是對象實例，進(jìn)一步劃分的目的是為了更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。在本章中，我們僅僅針對內(nèi)存區(qū)域的作用進(jìn)行討論，Java 堆中的上述各個區(qū)域的分配和回收等細(xì)節(jié)將會是下一章的主題。

根據(jù)Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，Java 堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現(xiàn)時，既可以實現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的，不過當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來實現(xiàn)的（通過-Xmx和-Xms 控制）。如果在堆中沒有內(nèi)存完成實例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時，將會拋出OutOfMemoryError 異常。

4、方法區(qū)

方法區(qū)（Method Area）與Java 堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然Java 虛擬機(jī)規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應(yīng)該是與Java 堆區(qū)分開來。

對于習(xí)慣在HotSpot 虛擬機(jī)上開發(fā)和部署程序的開發(fā)者來說，很多人愿意把方法區(qū)稱為“永久代”（Permanent Generation），本質(zhì)上兩者并不等價，僅僅是因為HotSpot 虛擬機(jī)的設(shè)計團(tuán)隊選擇把GC 分代收集擴(kuò)展至方法區(qū)，或者說使用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)而已。對于其他虛擬機(jī)（如BEA JRockit、IBM J9 等）來說是不存在永久代的概念的。即使是HotSpot 虛擬機(jī)本身，根據(jù)官方發(fā)布的路線圖信息，現(xiàn)在也有放棄永久代并“搬家”至Native Memory 來實現(xiàn)方法區(qū)的規(guī)劃了。

Java 虛擬機(jī)規(guī)范對這個區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java 堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存和可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展外，還可以選擇不實現(xiàn)垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入了方法區(qū)就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這個區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說這個區(qū)域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當(dāng)苛刻，但是這部分區(qū)域的回收確實是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中，曾出現(xiàn)過的若干個嚴(yán)重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虛擬機(jī)對此區(qū)域未完全回收而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

根據(jù)Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError 異常。

5、運(yùn)行時常量池

運(yùn)行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分。Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項信息是常量池（Constant PoolTable），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運(yùn)行時常量池中。

Java 虛擬機(jī)對Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴(yán)格的規(guī)定，每一個字節(jié)用于存儲哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求，這樣才會被虛擬機(jī)認(rèn)可、裝載和執(zhí)行。但對于運(yùn)行時常量池，Java 虛擬機(jī)規(guī)范沒有做任何細(xì)節(jié)的要求，不同的提供商實現(xiàn)的虛擬機(jī)可以按照自己的需要來實現(xiàn)這個內(nèi)存區(qū)域。不過，一般來說，除了保存Class 文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運(yùn)行時常量池中①。

運(yùn)行時常量池相對于Class 文件常量池的另外一個重要特征是具備動態(tài)性，Java 語言并不要求常量一定只能在編譯期產(chǎn)生，也就是并非預(yù)置入Class 文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發(fā)人員利用得比較多的便是String 類的intern() 方法。

既然運(yùn)行時常量池是方法區(qū)的一部分，自然會受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o法再申請到內(nèi)存時會拋出OutOfMemoryError 異常

6、直接內(nèi)存

直接內(nèi)存（Direct Memory）并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存也被頻繁地使用，而且也可能導(dǎo)致OutOfMemoryError 異常出現(xiàn)，所以我們放到這里一起講解。

在JDK 1.4 中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基于通道（Channel）與緩沖區(qū)（Buffer）的I/O 方式，它可以使用Native 函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個存儲在Java 堆里面的DirectByteBuffer 對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java 堆和Native 堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

顯然，本機(jī)直接內(nèi)存的分配不會受到Java 堆大小的限制，但是，既然是內(nèi)存，則肯定還是會受到本機(jī)總內(nèi)存（包括RAM 及SWAP 區(qū)或者分頁文件）的大小及處理器尋址空間的限制。服務(wù)器管理員配置虛擬機(jī)參數(shù)時，一般會根據(jù)實際內(nèi)存設(shè)置-Xmx等參數(shù)信息，但經(jīng)常會忽略掉直接內(nèi)存，使得各個內(nèi)存區(qū)域的總和大于物理內(nèi)存限制（包括物理上的和操作系統(tǒng)級的限制），從而導(dǎo)致動態(tài)擴(kuò)展時出現(xiàn)OutOfMemoryError異常

邏輯內(nèi)存模型我們已經(jīng)看到了，那當(dāng)我們建立一個對象的時候是怎么進(jìn)行訪問的呢？在Java 語言中，對象訪問是如何進(jìn)行的？對象訪問在Java 語言中無處不在，是最普通的程序行為，但即使是最簡單的訪問，也會卻涉及Java 棧、Java 堆、方法區(qū)這三個最重要內(nèi)存區(qū)域之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如下面的這句代碼：

Object obj = new Object();

假設(shè)這句代碼出現(xiàn)在方法體中，那“Object obj”這部分的語義將會反映到Java 棧的本地變量表中，作為一個reference 類型數(shù)據(jù)出現(xiàn)。而“new Object()”這部分的語義將會反映到Java 堆中，形成一塊存儲了Object 類型所有實例數(shù)據(jù)值（Instance Data，對象中各個實例字段的數(shù)據(jù)）的結(jié)構(gòu)化內(nèi)存，根據(jù)具體類型以及虛擬機(jī)實現(xiàn)的對象內(nèi)存布局（Object Memory Layout）的不同，這塊內(nèi)存的長度是不固定的。另外，在Java 堆中還必須包含能查找到此對象類型數(shù)據(jù)（如對象類型、父類、實現(xiàn)的接口、方法等）的地址信息，這些類型數(shù)據(jù)則存儲在方法區(qū)中。

由于reference 類型在Java 虛擬機(jī)規(guī)范里面只規(guī)定了一個指向?qū)ο蟮囊?#xff0c;并沒有定義這個引用應(yīng)該通過哪種方式去定位，以及訪問到Java 堆中的對象的具體位置，因此不同虛擬機(jī)實現(xiàn)的對象訪問方式會有所不同，主流的訪問方式有兩種：使用句柄和直接指針。

句柄池

如果使用句柄訪問方式，Java 堆中將會劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數(shù)據(jù)和類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息，如下圖所示。

如果使用直接指針訪問方式，Java 堆對象的布局中就必須考慮如何放置訪問類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，reference 中直接存儲的就是對象地址，如下圖所示

這兩種對象的訪問方式各有優(yōu)勢，使用句柄訪問方式的最大好處就是reference 中存儲的是穩(wěn)定的句柄地址，在對象被移動（垃圾收集時移動對象是非常普遍的行為）時只會改變句柄中的實例數(shù)據(jù)指針，而reference 本身不需要被修改。

使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節(jié)省了一次指針定位的時間開銷，由于對象的訪問在Java 中非常頻繁，因此這類開銷積少成多后也是一項非常可觀的執(zhí)行成本。就本書討論的主要虛擬機(jī)Sun HotSpot 而言，它是使用第二種方式進(jìn)行對象訪問的，但從整個軟件開發(fā)的范圍來看，各種語言和框架使用句柄來訪問的情況也十分常見。

下面我們來看幾個示例

1、Java 堆溢出

下面的程中我們限制Java 堆的大小為20MB，不可擴(kuò)展（將堆的最小值-Xms 參數(shù)與最大值-Xmx 參數(shù)設(shè)置為一樣即可避免堆自動擴(kuò)展），通過參數(shù)-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 可以讓虛擬機(jī)在出現(xiàn)內(nèi)存溢出異常時Dump 出當(dāng)前的內(nèi)存堆轉(zhuǎn)儲快照以便事后進(jìn)行分析。

參數(shù)設(shè)置如下

最后

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總結(jié)

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