前言

本文是JVM系列的內(nèi)存模型篇，參考資料為《深入理解Java虛擬機(jī)》，本文章將會(huì)以HotSpot 虛擬機(jī)為介紹基礎(chǔ)。

1.JVM簡(jiǎn)單介紹

Java Virtual Machine是運(yùn)行Java程序的基礎(chǔ)，JVM基于C、C++實(shí)現(xiàn)，JVM有很多種類，但是這些虛擬機(jī)都必須按照《Java虛擬機(jī)規(guī)范》來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。目前JDK使用的是HotSpot虛擬機(jī)。

2.JVM內(nèi)存模型

根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范》的規(guī)定，Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存將會(huì)包括以下幾個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

• 程序計(jì)數(shù)器
• Java虛擬機(jī)棧
• 本地方法棧
• 方法區(qū)
• 堆

分布如下圖：

3.程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器是Java中占用內(nèi)存比較少的一個(gè)區(qū)域，他的作用是記錄當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指令，通俗的理解就是代碼執(zhí)行到哪里了。

我們很容易思考到，在多線程中，是發(fā)生線程切換這種情況的，那么一個(gè)線程被切換后，它的狀態(tài)就需要被記錄到上下文中，方便線程能正確執(zhí)行到原來(lái)的位置，那么為了記錄這個(gè)位置，就需要程序計(jì)數(shù)器來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)

為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每個(gè)線程都需要一個(gè)獨(dú)立程序計(jì)數(shù)器，各個(gè)線程之間計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)。因此它也是“線程私有”的內(nèi)存

這片區(qū)域也是唯一一個(gè)在《Java虛擬機(jī)規(guī)范》中沒(méi)有任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

4.Java虛擬機(jī)棧

Java虛擬機(jī)棧，以“?！泵?#xff0c;在內(nèi)存模型中，基本都是用來(lái)處理方法的，所以Java虛擬機(jī)棧是用來(lái)處理Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的方法的。同理的，這個(gè)棧也是線程私有的。他的生命周期與線程生命周期一樣長(zhǎng)。

一個(gè)線程在調(diào)用方法的時(shí)候，會(huì)在虛擬機(jī)棧中，創(chuàng)建一個(gè)棧幀，這個(gè)棧幀會(huì)存放局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)連接、方法出口等信息。

棧幀包含以下內(nèi)容：

• 局部變量表： 棧幀用于存儲(chǔ)方法的局部變量，表中存放了編譯期可知的基本數(shù)據(jù)類型和對(duì)象引用（對(duì)象引用指針或者句柄）。這些局部變量在方法調(diào)用時(shí)分配內(nèi)存空間，并在方法調(diào)用結(jié)束后被釋放。

• 操作數(shù)棧： 棧幀還包含一個(gè)操作數(shù)棧，用于存儲(chǔ)方法執(zhí)行時(shí)的操作數(shù)。當(dāng)方法需要進(jìn)行計(jì)算或操作時(shí)，操作數(shù)會(huì)被入?；虺鰲?。

• 動(dòng)態(tài)鏈接： 棧幀包含指向運(yùn)行時(shí)常量池中當(dāng)前方法引用的指針，用于在方法中訪問(wèn)其他類或方法。

• 方法出口： 當(dāng)方法調(diào)用完成后，程序需要返回到方法調(diào)用的地方繼續(xù)執(zhí)行。棧幀包含方法返回地址，用于記錄返回的位置。

額外提一嘴的是當(dāng)Java虛擬機(jī)棧的深度被方法調(diào)用填滿的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)StackOverFlowError；如果棧的大小動(dòng)態(tài)擴(kuò)展到?jīng)]辦法擴(kuò)展的時(shí)候，會(huì)報(bào)OOM（OutOfMemoryError）的錯(cuò)誤。

5.本地方法棧

這個(gè)棧和Java虛擬機(jī)棧是一樣的功能，但是作用的對(duì)象不一樣，Java虛擬機(jī)棧對(duì)應(yīng)的是Java方法，而本地方法棧對(duì)應(yīng)的是被Native標(biāo)志的方法，這類方法一般都是C、C++代碼。其他東西基本和Java虛擬機(jī)棧一致。

6.方法區(qū)

方法區(qū)與Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，這塊區(qū)域是用來(lái)存儲(chǔ)已經(jīng)被加載的類元信息，這些信息包含：類型信息、常量、靜態(tài)變量、即使編譯后的代碼緩存等信息。

6.1永久代與元空間

早在JDK1.8以前，方法區(qū)使用的永久代的實(shí)現(xiàn)方式，而在1.8后才正式確定使用元空間。那么二者實(shí)現(xiàn)上有什么區(qū)別呢？？？？

最大的區(qū)別就是前者是使用的虛擬機(jī)內(nèi)存，后者使用了直接內(nèi)存，也就是說(shuō)永久代的內(nèi)存大小受JVM限制，而元空間內(nèi)存大小受真實(shí)機(jī)子內(nèi)存大小限制，明顯后者內(nèi)存大小更大，前者更容易OOM。

在方法區(qū)使用元空間后，字符串常量池也從方法區(qū)移動(dòng)到了堆內(nèi)存中。

6.2運(yùn)行時(shí)常量池

提到方法區(qū)，就不得不提到一個(gè)叫運(yùn)行時(shí)常量池的東西，它也是方法區(qū)的一部分。

一個(gè)Class文件除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池表，用于存放編譯期生成的各種字面量與符號(hào)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(shí)常量池中。

7.堆

堆內(nèi)存是整個(gè)虛擬機(jī)中最大的一塊，這塊區(qū)域是被線程共享的，這塊對(duì)象就是用來(lái)在程序執(zhí)行時(shí)，大部分對(duì)象存放的地方（還有極小一部分可能會(huì)發(fā)生逃逸分析，在棧上創(chuàng)建和銷毀）。

堆這塊區(qū)域，也是最容易發(fā)生OOM的地方，原因可想而知，公共的地方，大家都來(lái)這里放東西，時(shí)間一長(zhǎng)，沒(méi)有空間也很正常，所以這塊區(qū)域也是發(fā)生GC（Garbage Collected）頻率最高的一個(gè)場(chǎng)所。（具體GC流程，下篇文章會(huì)詳細(xì)介紹）

7.1 對(duì)象創(chuàng)建

堆中的對(duì)象（普通對(duì)象）創(chuàng)建過(guò)程也是比較講究的，下面我們帶著問(wèn)題，一步一步理解這個(gè)過(guò)程

首先，如何創(chuàng)建？

很簡(jiǎn)單的，new關(guān)鍵字

那么問(wèn)題又來(lái)了，對(duì)象創(chuàng)建依賴的信息從哪里來(lái)？

當(dāng)Java遇到一條字節(jié)碼new指令的時(shí)候，首先將去檢測(cè)這個(gè)指令能否在常量池中定位到一個(gè)類的符號(hào)引用，并檢查這個(gè)符號(hào)引用代表的類是否已被加載、解析和初始化過(guò)。如果沒(méi)有，那么必須先執(zhí)行相應(yīng)的類加載（雙親委派模型）。

對(duì)象依賴信息得到后，內(nèi)存大小該如何劃分分配？

當(dāng)一個(gè)類被加載之后，相應(yīng)的對(duì)象創(chuàng)建所需的內(nèi)存大小也就能被確定了。那么要在堆中創(chuàng)建對(duì)象，就需要?jiǎng)澐挚臻g，JVM中有兩種劃分空間的方式，分別是“指針碰撞”和“空閑列表”

• 指針碰撞
  假設(shè)Java堆中內(nèi)存分配絕對(duì)規(guī)整，使用過(guò)的和未使用的分成兩邊，只需要在邊界設(shè)置指針，這個(gè)指針只需要挪動(dòng)和對(duì)象大小一樣的距離即可，這種就是指針碰撞
• 空閑列表
  假如Java堆內(nèi)存并不規(guī)整，使用過(guò)的和未使用的都混在一起，這種情況，要分配內(nèi)存就只能維護(hù)一個(gè)列表，這個(gè)列表記錄了哪些內(nèi)存可以使用，分配內(nèi)存就需要在表中查找到足夠到的區(qū)間進(jìn)行分配即可，這就是空閑列表

并發(fā)下，對(duì)象創(chuàng)建的內(nèi)存分配安全如何得到保證？

為我們所知的，堆內(nèi)存是一個(gè)線程共享的，這就意味著，我們堆在劃分內(nèi)存大小的時(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題?？赡艹霈F(xiàn)線程1在給A分配大小的時(shí)候，還沒(méi)來(lái)得及修改指針，但是線程2在創(chuàng)建B時(shí)，使用了這個(gè)指針，就導(dǎo)致了內(nèi)存數(shù)據(jù)被改寫了。解決這個(gè)問(wèn)題有兩個(gè)方式

• 加鎖同步
  實(shí)際實(shí)現(xiàn)中虛擬機(jī)是采用CAS+失敗重試的方式保證更新操作的原子性
• TLAB（Thread Local Allocation Buffer，本地緩沖區(qū)），也和ThreadLocal一樣，給每個(gè)線程各自劃分好區(qū)域，線程要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象，就在這個(gè)區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建就行，如果TLAB使用完了才需要進(jìn)行同步鎖定分配對(duì)象。如果JVM要使用TLAB，可以通過(guò)-XX:+/-UseTLAB參數(shù)來(lái)設(shè)定

實(shí)際上，內(nèi)存分配成功之后，虛擬機(jī)還會(huì)對(duì)分配到的內(nèi)存空間（不包括對(duì)象頭）進(jìn)行初始化工作，零值處理。這步操作是為了保證對(duì)象實(shí)例字段在Java代碼中可以不賦值就能直接使用。

經(jīng)歷以上步驟，對(duì)象創(chuàng)建后，對(duì)象還需要設(shè)置什么？

需要設(shè)置“對(duì)象屬于哪個(gè)類的實(shí)例”、“類的元數(shù)據(jù)信息“”、“對(duì)象hash碼（實(shí)際調(diào)用Object::hashCode才會(huì)生成）”、“GC分代年齡”，這些信息都被描述在對(duì)象頭中

最終

在上面工作都完成后，看似一個(gè)對(duì)象已經(jīng)被創(chuàng)建了，但實(shí)際上，整個(gè)生命過(guò)程還差一步，即初始化，構(gòu)造函數(shù)中的初始化工作還沒(méi)有被真正執(zhí)行，也就是 < init > ()方法，所以值都是默認(rèn)為零值的，所以當(dāng)構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行完成后，一個(gè)對(duì)象就被完成創(chuàng)建了。

7.2 對(duì)象的內(nèi)存布局

在了解一個(gè)對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程后，我們來(lái)看看，一個(gè)對(duì)象內(nèi)部布局是如何的，直接看下圖：

對(duì)象頭：這部分包含了兩部分信息

• 第一部分：HashCode、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)記、線程持有的鎖、偏向鎖ID、偏向鎖時(shí)間戳等信息等，這部分信息官方稱之為：Mark Word，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在32位和64位虛擬機(jī)（未開(kāi)啟指針壓縮）中分別占用32bit和64bit。
• 第二部分：類型指針，即對(duì)象指向它的類型元數(shù)據(jù)的指針，Java虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例。如果是數(shù)組對(duì)象，對(duì)象頭中還會(huì)記錄數(shù)組長(zhǎng)度，如果不是則無(wú)記錄。

實(shí)例數(shù)據(jù)：這部分?jǐn)?shù)據(jù)是對(duì)象真正存儲(chǔ)的有效信息

對(duì)齊填充：這部分的內(nèi)容不是必然存在的，也沒(méi)有特殊含義，這部分的主要作用就是保證這個(gè)對(duì)象大小是8字節(jié)的整數(shù)倍，差多少，盡可能補(bǔ)多少。

JVM執(zhí)行流程

• 代碼編譯：Java源代碼通過(guò)Java編譯器（javac）編譯成字節(jié)碼文件（.class文件）。

• 類加載：JVM的類加載器將字節(jié)碼文件加載到內(nèi)存中，并進(jìn)行校驗(yàn)、準(zhǔn)備、解析等處理。

• 內(nèi)存分配：JVM為加載的類分配內(nèi)存，包括方法區(qū)、堆、棧等。

• 初始化：JVM對(duì)類進(jìn)行初始化，包括靜態(tài)變量的賦值、靜態(tài)代碼塊的執(zhí)行等。

• 執(zhí)行：JVM開(kāi)始執(zhí)行字節(jié)碼指令，逐行讀取字節(jié)碼文件并執(zhí)行。這個(gè)執(zhí)行過(guò)程交給執(zhí)行引擎將字節(jié)碼翻譯成CPU指令交給操作系統(tǒng)去執(zhí)行

• …

END 以上是本文全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)你有所幫助