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深入理解JVM（一）JVM内存模型

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，总共包括以下几个运行时数据区域。

1 、程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用：

1.1. 可以看做是当前线程所执行的字节码的信号指示器。字节码解释器就是通过改变该计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需依赖计数器来完成。 注：但是，如果当前线程正在执行的是一个本地方法，那么此时程序计数器为空。

1.2. 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

特点：线程私有的，生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

2、Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

Java 虚拟机栈与程序计数器一样，也是线程私有的，其生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、 float、long、double）、对象引用（reference 类型）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。其中 64 位长度的 long 和 double 会占用 2 个局部变量空间（Slot，一个 32 位），其余数据类型只占用 1 个。局部变量表所需的空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，其需要在帧中分配多大的局部变量空间是确定的，方法运行期间不会改变局部变量表的大小。局部变量表的创建是在方法被执行的时候，随着栈帧的创建而创建。而且，局部变量表的大小在编译时期就确定下来了，在创建的时候只需分配事先规定好的大小即可。此外，在方法运行的过程中局部变量表的大小是不会发生改变的。

Java 虚拟机规范中对该区域规定了两种异常情况：

2.1. 如线程请求的深度大于虚拟机所允许的深度，栈溢出，如递归时，抛出

StackOverflowError 异常。

2.2. 虚拟机栈动态扩展无法申请到足够的内存时，抛出 OutOfMemoryError 异常。

当方法传递参数时实际上是一个方法将自己栈帧中局部变量表的副本传递给另一个方法栈帧中的局部变量表（注意是副本，而不是其本身），不管数据类型是什么（基本类型，引用类型）

3、本地方法栈（Native Method Stack）

Java 虚拟机可能会使用到传统的栈来支持 native 方法（使用 Java 语言以外的其它语言编写的方法）的执行。线程私有的，如 Sun HotSpot 虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。Java 虚拟机规范中对该区域规定了两种异常情况：

3.1.如线程请求的深度大于虚拟机所允许的深度，抛出 StackOverflowError 异常。

3.2.虚拟机栈动态扩展无法申请到足够的内存时，抛出 OutOfMemoryError 异常。

4、Java 堆（Java Heap）

Java 堆是 Java 虚拟机管理内存中最大的一块，是所有线程共享的内存区域，随虚拟机的启动而创建。该区域唯一目的是存放对象实例，几乎所有对象的实例都在堆里面分配。 Java 虚拟机规范规定，Java 堆可以出于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可，如同磁盘空间一样，既可以实现成固定大小，也可以是扩展的，当前主流虚拟机都是按照扩展来实现的（通过-Xmx 和-Xms 控制）。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也叫"GC堆"，细分一点可以分为新生代和老年代；再细致一点新生代可以分为Eden空间、From Survivor空间、ToSurvivor空间。

Java 虚拟机规范中对该区域规定了 OutOfMemoryError 异常：如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆无法再扩展则抛出 OutOfMemoryError 异常。（当 Ol d 区被放满的之后，进行 Full GC，Full GC 后，若 Survivor 及 old 区仍然无法存放从 Eden 复制过来的部分对象，则出现 OOM 错误/或者直接存放大对象、大数组，导致老年代空间不足）

5、方法区（Method Area）

方法区与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。在 HotSpot 中用永久代来实现方法区，而其他虚拟机（如 BEA JRockit、IBM J9 等）是不存在永久代的。

Java7 中已经将运行时常量池从永久代移除，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。而在 Java8 中，已经彻底没有了永久代，将方法区直接放在一个与堆不相连的本地内存区域，这个区域被叫做元空间。

元空间的本质和永久代类似，都是对 JVM 规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：-XX:MetaspaceSize，初始空间大小。-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。Java 虚拟机规范中对方法区规定了 OutOfMemoryError 异常：如果方法区的内存空间不能满足内存分配请求，那 Java 虚拟机将抛出一个 OutOfMemoryError 异常。

6、运行时常量池（Runtime Constant Pool）

运行时常量池是方法区的一部分。线程共享。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面常量和符号引用，这部分内容在类加载后存放到方法区的常量池中。

static 修饰的静态变量也存放在方法区中，但不是在常量池中（不能修饰局部变量），不能在一个方法内部定义 static 变量（final 可以），只能定义为成员变量。

当这个类被Java虚拟机加载后，class文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间，可以向常量池中添加新的常量。如：String类的intern()方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。

当运行时常量池中的某些常量没有被对象引用，同时也没有被变量引用，那么就需要垃圾收集器回收。

Java 虚拟机规范中对该区域规定了 OutOfMemoryError 异常：当常量池无法申请到内存时抛出 OutOfMemoryError 异常。

7、直接内存

直接内存是除Java虚拟机之外的内存，但也有可能被Java使用。

在NIO中引入了一种基于通道和缓冲的IO方式。它可以通过调用本地方法直接分配Java虚拟机之外的内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象直接操作该内存，而无需先将外面内存中的数据复制到堆中再操作，从而提升了数据操作的效率。

直接内存的大小不受Java虚拟机控制，但既然是内存，当内存不足时就会抛出OOM异常。

8、栈帧

栈帧是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构，它是虚拟机运行时数据区的虚拟机栈的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表，操作数栈，动态连接和方法返回地址等信息。第一个方法从调用开始到执行完成，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。在编译代码的时候，栈帧中需要多大的局部变量表，多深的操作数栈都已经完全确定了，并且写入到了方法表的 Code 属性中，因此一个栈帧需要分配多少内存，不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于具体虚拟机的实现。一个线程中的方法调用链可能会很长，很多方法都同时处理执行状态。对于执行引擎来讲，活动线程中，只有虚拟机栈顶的栈帧才是有效的，称为当前栈帧(Current Stack Frame)，这个栈帧所关联的方法称为当前方法(Current Method)。

8.1、局部变量表

局部标量表是一组变量值的存储空间，一个以字长为单位，从 0 开始计数的数组，用于存放方法参数和局部变量。变量槽（Variable Slot）是局部变量表的最小单位，没有强制规定大小为 32 位，虽然 32 位足够存放大部分类型的数据。一个 Slot 可以存放 boolean、 byte、char、short、int、float、reference 和 returnAddress 8 种类型。其中 reference 表示对一个对象实例的引用。returnAddress 则指向了一条字节码指令的地址。对于 64 位的 long 和 double 变量而言，虚拟机会为其分配两个连续的 Slot 空间。虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表。之前我们知道，局部变量表存放的是方法参数和局部变量。当调用方法是非 static 方法时，局部变量表中第 0 位索引的 Slot 默认是用于传递方法所属对象实例的引用，即“this”关键字指向的对象。分配完方法参数后，便会依次分配方法内部定义的局部变量。

为了节省栈帧空间，局部变量表中的 Slot 是可以重用的。当离开了某些变量的作用域之后，这些变量对应的 Slot 就可以交给其他变量使用。

8.2、操作数栈

操作数栈被组织成一个以字长为单位的数组。但不是通过索引来访问，而是通过标准栈操作--压栈和出栈来访问。方法执行中进行算术运算或者是调用其他的方法进行参数传递的时候是通过操作数栈进行的。

在概念模型中，两个栈帧是相互独立的。但是大多数虚拟机的实现都会进行优化，令两个栈帧出现一部分重叠。令下面的部分操作数栈与上面的局部变量表重叠在一块，这样在方法调用的时候可以共用一部分数据，无需进行额外的参数复制传递。

8.3、帧数据区

栈帧需要一些数据来支持常量池解析、正常方法返回和异常处理等。在帧数据区中保存

着访问常量池的指针，方便程序访问常量池。此外，当函数返回或者出现异常时，虚拟机必须恢复调用者函数的栈帧，并让调用者函数继续执行下去。对于异常处理，虚拟机必须有一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码，因此异常处理表也是帧数据区中重要的一部分。

8.3.1 动态连接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了

支持方法调用过程中的动态连接。符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候就转化为直接引用，这种转化成为静态解析。另外一部分在每一次运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

8.3.2 方法返回地址

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法。第一种是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者。