Java虛擬機(jī)內(nèi)存模型

計(jì)劃發(fā)布3篇博客, 這是第一篇：jvm內(nèi)存模型

• jvm內(nèi)存模型
• 對(duì)象創(chuàng)建和內(nèi)存分配
• OOM異常

問題

java虛擬機(jī)管理內(nèi)存，無需由程序員進(jìn)行內(nèi)存的分配和釋放。
但是如果出現(xiàn)內(nèi)存泄漏或內(nèi)存溢出急膀，如何去排查問題沮协？

這就需要我們?nèi)チ私鈐ava虛擬機(jī)內(nèi)存模型

虛擬機(jī)內(nèi)存的各個(gè)區(qū)域

了解內(nèi)存模型的了解虛擬機(jī)內(nèi)存的各個(gè)區(qū)域

要點(diǎn)

1. 各個(gè)區(qū)域的概念
2. 各個(gè)區(qū)域的作用
3. 各個(gè)區(qū)域的服務(wù)對(duì)象
4. 各個(gè)區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)的問題
5. 生命周期

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

1. 程序計(jì)數(shù)器（線程私有）
2. java虛擬機(jī)棧（線程私有）
3. 本地方法棧（線程私有）
4. java堆（線程共享）
5. 方法區(qū)（線程共享）

運(yùn)行時(shí)常量池：方法區(qū)一部分

直接內(nèi)存：不屬于jvm內(nèi)存模型，但也被頻繁使用卓嫂，可能導(dǎo)致內(nèi)存溢出異常

1. 程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器是什么

java虛擬機(jī)中較小的一塊內(nèi)存空間慷暂，是當(dāng)前線程所執(zhí)行的行號(hào)指示器。

每個(gè)線程都有自己的程序計(jì)數(shù)器晨雳，存儲(chǔ)程序下一條指令的指針行瑞。

程序計(jì)數(shù)器的作用是什么

字節(jié)碼解釋器通過改變程序計(jì)數(shù)器中的值，來控制程序中的循環(huán)餐禁，跳轉(zhuǎn)蘑辑，異常處理和線程的中斷和恢復(fù)。

程序計(jì)數(shù)器會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出嗎

程序計(jì)數(shù)器是java運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)中唯一不會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出的區(qū)域

原因：

1. 程序計(jì)數(shù)器存放的是每個(gè)線程程序的下一條指令指針坠宴，消耗內(nèi)存小洋魂。
2. 在程序運(yùn)行時(shí)，只需改變程序計(jì)數(shù)器中指針喜鼓，所以不需要額外申請(qǐng)內(nèi)存空間副砍。

程序計(jì)數(shù)器是線程私有的還是共有的

程序計(jì)數(shù)器是線程私有的內(nèi)存

原因：

在多線程程序執(zhí)行時(shí)，一個(gè)線程的程序計(jì)數(shù)器不可能被其他線程更改庄岖，否則當(dāng)線程中斷再恢復(fù)時(shí)無法準(zhǔn)確的執(zhí)行下一條命令豁翎。

線程私有，即生命周期與線程一致

注意

如果程序正在執(zhí)行的是java方法隅忿，程序計(jì)數(shù)器記錄的是：正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址心剥；

如果程序正在執(zhí)行的是native方法，程序計(jì)數(shù)器的值為空：undefined

native方法：本地方法背桐，由其他語言實(shí)現(xiàn)的可以在本機(jī)器執(zhí)行的方法优烧。

2. java虛擬機(jī)棧

java虛擬機(jī)棧是什么

java虛擬機(jī)棧是java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個(gè)方法執(zhí)行時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀链峭，棧幀存儲(chǔ)局部變量表畦娄、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接弊仪、方法出口等信息熙卡。每個(gè)方法從調(diào)用到執(zhí)行完成的過程，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在java虛擬機(jī)棧從入棧到出棧的過程励饵。

可以這樣理解：

java虛擬機(jī)棧是每個(gè)線程開始時(shí)開辟的一個(gè)棧內(nèi)存空間驳癌，用于存儲(chǔ)正在執(zhí)行的方法信息

方法調(diào)用：

1. 創(chuàng)建方法棧幀
2. 棧幀入java虛擬機(jī)棧
3. 方法執(zhí)行
4. 方法返回
5. 棧幀出java虛擬機(jī)棧

java虛擬機(jī)棧和我們通常理解的java棧內(nèi)存有什么關(guān)聯(lián)

一般把java內(nèi)存分為堆內(nèi)存和棧內(nèi)存，前者是存放java對(duì)象實(shí)例役听，后者存放基本數(shù)據(jù)類型信息颓鲜。

實(shí)際上java棧內(nèi)存指的是java虛擬機(jī)棧中表窘，每個(gè)方法棧幀中的局部變量表部分。

什么是局部變量表

局部變量表存放的是編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型和對(duì)象引用類型灾杰。

局部變量表存放各種基本類型和對(duì)象引用類型能理解蚊丐，就和我們常說的java棧內(nèi)存一樣熙参，什么是編譯器可知艳吠？

java類在編譯期時(shí)，一個(gè)方法中有多少基本數(shù)據(jù)類型和對(duì)象引用類型是可知的孽椰，而這些基本數(shù)據(jù)類型和對(duì)象引用類型的所占空間也是已知的昭娩，除了64位長度的long和double類型占用兩個(gè)局部變量空間，其他的都只占用一個(gè)局部變量空間黍匾。

所以局部變量表在編譯期即可確定需要分配多少內(nèi)存空間栏渺。在運(yùn)行期間，進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)锐涯，直接分配指定大小的內(nèi)存空間磕诊，而不會(huì)改變局部變量表的大小。

即局部變量表在編譯期可知纹腌，在運(yùn)行期直接分配霎终。

棧幀中除了局部變量表還有其他類型吧

棧幀是一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)：

1. 局部變量表
2. 操作數(shù)棧
3. 動(dòng)態(tài)鏈接
4. 方法出口

java虛擬機(jī)棧會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存溢出嗎

會(huì)升薯，而且分兩種情況：

1. java虛擬機(jī)棧大小不可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展莱褒，當(dāng)前線程請(qǐng)求的棧深度 > 虛擬機(jī)所允許的深度， 拋出內(nèi)存溢出異常涎劈。
2. java虛擬機(jī)棧大小可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展广凸，擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存， 拋出內(nèi)存溢出異常蛛枚。

java虛擬機(jī)棧默認(rèn)可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展谅海，可以通過參數(shù)設(shè)置。

實(shí)際案例中有因?yàn)閖ava虛擬機(jī)棧導(dǎo)致的內(nèi)存溢出嗎

最常見的就是：死遞歸時(shí)蹦浦，java虛擬機(jī)棧內(nèi)存空間耗盡胁赢，拋出內(nèi)存溢出異常。

java虛擬機(jī)棧是線程私有的白筹，即生命周期與線程一致

3. 本地方法棧

本地方法棧是什么

本地方法棧與虛擬機(jī)棧很相似智末，區(qū)別就是：

1. Java虛擬機(jī)棧是為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法提供服務(wù)
2. 本地方法棧是虛擬機(jī)執(zhí)行native方法提供服務(wù)

這么說本地方法棧也會(huì)拋出棧溢出和內(nèi)存溢出的異常？

是的徒河，本地方法棧也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常

注意

虛擬機(jī)規(guī)范中并沒有對(duì)本地方法棧中方法所用的語言系馆、使用方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制規(guī)定，虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)顽照。
所以Sun HotSpot虛擬機(jī)直接把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合而為一

4. java堆

堆我知道由蘑，就是Java存放所有對(duì)象實(shí)例的內(nèi)存空間

是的闽寡，Java堆是Java虛擬機(jī)管理的最大一塊內(nèi)存空間，被所有線程共享尼酿，在虛擬機(jī)啟用時(shí)創(chuàng)建爷狈。
幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在堆上存放。

為什么說幾乎

因?yàn)殡S著jit編譯器的發(fā)展和逃逸分析技術(shù)逐漸成熟裳擎，也可能對(duì)象實(shí)例使用棧上分配和標(biāo)量替換

簡單說下對(duì)象實(shí)例的棧上分配和標(biāo)量替換的優(yōu)化技術(shù)

簡單說下自己了解的涎永，Java堆上可以分配多個(gè)線程私有的線程本地分配緩沖區(qū)(TLAB)。
對(duì)象實(shí)例由對(duì)應(yīng)的基本類型組成鹿响，使用逃逸分析判斷是否對(duì)象是否逃逸羡微，如果不逃逸，直接將對(duì)象所對(duì)應(yīng)的基本類型在TLAB上存儲(chǔ)惶我。當(dāng)線程結(jié)束后妈倔，TLAB上對(duì)象清理。

虛擬機(jī)棧是棾窆保空間盯蝴，那堆空間是什么樣的呢

堆空間在物理上可以是不連續(xù)的，只需要在邏輯上是連續(xù)的即可听怕，和我們本地磁盤一樣捧挺。
堆空間可以實(shí)現(xiàn)成固定大小，也可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展叉跛，主流虛擬機(jī)都動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的松忍。

堆會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出嗎

會(huì)。如果堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配筷厘，而且堆無法再擴(kuò)展時(shí)鸣峭，就會(huì)拋出內(nèi)存溢出異常

堆和垃圾收集器有什么關(guān)系

堆是Java垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候被稱為GC堆

關(guān)于Java垃圾收集器在第三章講解

5. 方法區(qū)

什么是方法區(qū)

和Java堆一樣酥艳，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域摊溶，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。
主要存儲(chǔ)：

1. 被虛擬機(jī)加載的類信息
2. 常量
3. 靜態(tài)變量
4. 即時(shí)編譯器編譯后的代碼

方法區(qū)會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出嗎

會(huì)充石。如果方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)莫换，就會(huì)拋出內(nèi)存溢出異常。

而且骤铃，在低版本的虛擬機(jī)中拉岁，方法區(qū)發(fā)生內(nèi)存溢出的問題更常見。

這時(shí)為什么呢

Java在1.8版本之前惰爬，使用了堆中永生代來實(shí)現(xiàn)了方法區(qū)喊暖。
優(yōu)勢：Java虛擬機(jī)可以像管理堆那樣管理方法區(qū)，省去了專門為方法區(qū)編寫內(nèi)存管理代碼的工作撕瞧。
劣勢：這樣更容易發(fā)生內(nèi)存溢出異常陵叽。因?yàn)橛郎幸粋€(gè)內(nèi)存上限狞尔，加上整個(gè)方法區(qū)占用空間，內(nèi)存溢出風(fēng)險(xiǎn)大大提高巩掺。

java在1.8版本中完全移除永久代的實(shí)現(xiàn)偏序，采用了metaspace(元空間)代替。元空間不在虛擬機(jī)中胖替，而是使用本地內(nèi)存研儒。

運(yùn)行時(shí)常量池

運(yùn)行時(shí)常量池是什么

運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分。
方法區(qū)存儲(chǔ)被虛擬機(jī)加載的類信息刊殉，而Class文件中有：

1. 類的版本號(hào)
2. 字段
3. 方法
4. 接口
5. 常量池

常量池存放：編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用

而常量池在運(yùn)行時(shí)會(huì)被放到運(yùn)行時(shí)常量池中殉摔。

什么是字面量和符號(hào)引用

字面量：String a = "hello"; 字符串"hello" 就是字面量
符號(hào)引用：存在于class文件中州胳，運(yùn)行時(shí)經(jīng)過動(dòng)態(tài)鏈接變成對(duì)象的直接引用记焊。因?yàn)閖ava的多態(tài)性，在運(yùn)行時(shí)確定具體的引用對(duì)象栓撞，所以編譯期的是符號(hào)引用遍膜，被虛擬機(jī)嚴(yán)格規(guī)定的對(duì)象引用字面量。

運(yùn)行時(shí)常量池會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出嗎

運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分瓤湘，所以和方法區(qū)一致瓢颅，當(dāng)常量池?zé)o法再申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)，拋出內(nèi)存溢出異常

常量池弛说、運(yùn)行時(shí)常量池挽懦、字符串常量池這三個(gè)都弄糊涂了

1. 常量池：即class文件常量池，是class文件的一部分木人，用于保存編譯時(shí)確定的數(shù)據(jù)信柿。

• 保存的內(nèi)容：
  • 1. 字面量
    • 1. 文本字符串
    • 2. 被聲明為final的常量值
    • 3. 基本數(shù)據(jù)類型的值
    • 4. 其他
  • 2. 符號(hào)引用
    • 1. 類和結(jié)構(gòu)的完全限定名
    • 2. 字段名稱和描述符
    • 3. 方法名稱和描述符

2. 運(yùn)行時(shí)常量池：

   • 1. java不一定在編譯期產(chǎn)生，運(yùn)行期也可能產(chǎn)生常量醒第，例如使用String.intern()方法渔嚷。這些常量被放到運(yùn)行時(shí)常量池中。
   • 2. 類加載后稠曼，常量池中數(shù)據(jù)也會(huì)在運(yùn)行時(shí)常量池中存放

3. 字符串常量池：在JDK1.7之前的HotSpot JVM中形病，記錄interned String的一個(gè)全局表 StringTable, 本質(zhì)是HashSet<String>。他只存儲(chǔ)Java.lang.String的引用霞幅，而不記錄String的內(nèi)容漠吻。

• 全局共享，只有一份司恳。1.8之后從永生代移到j(luò)ava堆中

java1.8方法區(qū)變化

1. 移除了永生代途乃，使用元空間實(shí)現(xiàn)方法區(qū)。
2. 永久代的class metadata抵赢，即被虛擬機(jī)加載的類信息欺劳，移到元空間
3. 永久代的字符串常量池和靜態(tài)變量唧取，移到j(luò)ava堆中
4. 永久代參數(shù) -> 元空間參數(shù)

關(guān)于java1.8的內(nèi)存模型，參考：

java8內(nèi)存模型-永久代和元空間

直接內(nèi)存

直接內(nèi)存是什么划提，不在java虛擬機(jī)五個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域里呀

是的枫弟，直接內(nèi)存并不屬于java虛擬機(jī)管理的五個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域。但也是經(jīng)常用到的鹏往，也可能會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出異常淡诗。

在jdk1.4中引入了NIO類，使用基于通道和緩沖區(qū)的I/O方式伊履。
它是使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存韩容，然后通過存儲(chǔ)在堆中的DirectByteBuffer對(duì)象，作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作唐瀑。
這樣在一些場景中可以顯著的提高性能群凶，因?yàn)楸苊饬嗽贘ava堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

既然直接內(nèi)存是堆外內(nèi)存哄辣，不受java堆大小的限制请梢，為什么還會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出呢？

因?yàn)樗€是內(nèi)存空間力穗，會(huì)受到本機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存大小限制毅弧。
如果虛擬機(jī)各個(gè)內(nèi)存區(qū)域總和 > 物理內(nèi)存限制，就很可能導(dǎo)致直接內(nèi)存動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn)內(nèi)存溢出異常当窗。

總結(jié)

java虛擬機(jī)內(nèi)存模型

1. java虛擬機(jī)5個(gè)內(nèi)存區(qū)域

1. 程序計(jì)數(shù)器

• 生命周期：線程私有够坐，隨線程存在
• 存儲(chǔ)內(nèi)容：存儲(chǔ)當(dāng)前線程下一條指令的引用
• 內(nèi)存溢出異常：沒有內(nèi)存溢出異常

2. java虛擬機(jī)棧

• 生命周期：線程私有，隨線程存在
• 存儲(chǔ)內(nèi)容：存儲(chǔ)當(dāng)前線程正在執(zhí)行方法的棧幀
• 內(nèi)存溢出異常：
  • 1. 虛擬機(jī)棧不可擴(kuò)展崖面，棧請(qǐng)求的深度 > 虛擬機(jī)允許的棧深度
  • 2. 虛擬機(jī)椩可擴(kuò)展，擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存

3. 本地方法棧

• 生命周期：線程私有嘶朱，隨線程存在
• 存儲(chǔ)內(nèi)容：存儲(chǔ)當(dāng)前線程正在執(zhí)行的本地方法的棧幀
• 內(nèi)存溢出異常：
  • 1. 本地方法棧不可擴(kuò)展蛾坯，棧請(qǐng)求的深度 > 虛擬機(jī)允許的棧深度
  • 2. 本地方法棧可擴(kuò)展疏遏，擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存

4. java堆

• 生命周期：線程共享脉课，虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建
• 存儲(chǔ)內(nèi)容：幾乎所有的java對(duì)象實(shí)例
• 內(nèi)存溢出異常：堆中沒有內(nèi)存空間完成對(duì)象內(nèi)存分配，且擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存

5. 方法區(qū)

• 生命周期：線程共享财异，虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建
• 存儲(chǔ)內(nèi)容：被虛擬機(jī)加載的類信息倘零、靜態(tài)變量、常量
• 內(nèi)存溢出異常：無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存

java虛擬機(jī)管理之外的內(nèi)存區(qū)域

直接內(nèi)存

• 生命周期：：線程共享戳寸，虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建
• 存儲(chǔ)內(nèi)容：Java NIO的Channel和Buffer
• 內(nèi)存區(qū)域：使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存
• 內(nèi)存溢出異常：本地內(nèi)存用完

java1.8方法區(qū)變化

1. 移除了永生代呈驶，使用元空間實(shí)現(xiàn)方法區(qū)。
2. 永久代的class metadata疫鹊，即被虛擬機(jī)加載的類信息袖瞻，移到元空間
3. 永久代的字符串常量池和靜態(tài)變量司致，移到j(luò)ava堆中
4. 永久代參數(shù) -> 元空間參數(shù)

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