我们来说一说 JVM 的内存模型

前言

这里需要先澄清一个关键点：JVM 内存结构（JVM Memory Structure） 和 Java 内存模型（Java Memory Model, JMM） 是两个不同的概念，但经常被混淆。

1. JVM 内存结构：指的是 JVM 在运行时，其内部的数据存储区域是如何划分的（如堆、栈、方法区等）。这是我们接下来要讲解的重点。
2. Java 内存模型：是一个概念和规范，它定义了多线程环境下，线程如何通过内存进行交互，以及线程如何看到共享变量的值。它解决的是并发编程中的可见性、原子性、有序性问题。

JVM 内存结构（运行时数据区）

JVM 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。这些区域各有用途，创建和销毁的时间也不同。根据《Java虚拟机规范》，JVM 内存结构（运行时数据区）如下图所示：

下面我们逐一详细讲解每个部分：

1. 程序计数器

• 定义：一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
• 作用：
  • 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制（如顺序执行、循环、跳转、异常处理等）。
  • 在多线程环境下，当一个线程的时间片用完，CPU 会切换到另一个线程。为了之后能切回来并正确恢复到上次执行的位置，每个线程都需要一个独立的程序计数器。
• 特点：
  • 线程私有：每个线程都有自己的程序计数器。
  • 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。

2. Java 虚拟机栈

• 定义：描述的是 Java 方法执行的内存模型。每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧。
• 作用：用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
• 栈帧：每个方法从调用到执行完成的过程，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，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。
  • 操作数栈：方法执行过程中，用于计算的工作区（类似于CPU的寄存器）。
  • 动态链接：指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。
  • 方法出口：记录方法返回时，需要返回到哪个位置继续执行。
• 特点：
  • 线程私有，生命周期与线程相同。
  • 会抛出两种错误：
    • StackOverflowError：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度（例如无限递归）。
    • OutOfMemoryError：如果虚拟机栈可以动态扩展，但在扩展时无法申请到足够的内存。

补充：本地方法栈 它与 Java 虚拟机栈的作用非常相似。区别在于：Java 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中，本地方法栈和 Java 虚拟机栈合二为一。

3. Java 堆

• 定义：这是 JVM 所管理的内存中最大的一块，是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。
• 作用：此内存区域的唯一目的就是存放对象实例。 几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。
• 特点：
  • 线程共享，因此是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称作 “GC堆”。
  • 从内存回收的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都基于分代收集理论，所以 Java 堆中经常被细分为：
    • 新生代：新创建的对象首先在这里分配。它又分为：
      • Eden 区
      • Survivor 0 区（From Survivor）
      • Survivor 1 区（To Survivor）
    • 老年代：在新生代中经历多次垃圾回收后仍然存活的对象，会被移动到老年代。
    • 永久代/元空间：注意，这是方法区的实现，逻辑上属于堆的一部分，但物理上可以不连续。
  • 会抛出 OutOfMemoryError：如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时。

4. 方法区

• 定义：用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
• 作用：可以看作是“类”的仓库。
• 特点：
  • 线程共享。
  • 它有一个非常别名的名字——“非堆”，目的是与 Java 堆区分开来。
  • 会抛出 OutOfMemoryError：当方法区无法满足内存分配需求时。

重要演进：方法区的实现

• 永久代：在 JDK 7 及之前，HotSpot 虚拟机使用 永久代 来实现方法区。这个区域在逻辑上属于堆的一部分，但有其特殊的垃圾回收机制。
• 元空间：从 JDK 8 开始，HotSpot 虚拟机彻底移除了永久代，改用 元空间 来实现方法区。元空间不再使用 JVM 内存，而是使用本地内存。这带来的好处是：
  • 避免了永久代的内存溢出问题。
  • 类元信息的生命周期与类加载器一致，简化了垃圾回收。
  • 可以动态调整大小，减少了调优的复杂性。

5. 运行时常量池

• 定义：它是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。
• 内容：
  • 字面量：如文本字符串、被声明为 final 的常量值等。
  • 符号引用：类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。
• 特点：
  • 具备动态性，并非只有编译期才能产生常量，运行期间也可以将新的常量放入池中，例如 String 类的 intern() 方法。

直接内存

虽然不是 JVM 运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域，但它经常被使用，并且也可能导致 OutOfMemoryError。

• 定义：直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。它是由 java.nio 包引入的，通过 Native 函数库直接分配的堆外内存。
• 作用：在 NIO 中，引入了 Channel 与 Buffer 的 I/O 方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为它避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。
• 特点：
  • 其大小不受 Java 堆大小的限制，但会受到本机总内存大小及处理器寻址空间的限制。
  • 同样会抛出 OutOfMemoryError。

总结与对比

理解 JVM 内存模型是理解 Java 程序运行机制、进行性能调优（尤其是 GC 调优）和故障诊断（如内存溢出）的基础。