Java 内存模型

Java 内存模型规定了 JVM 应该如何使用计算机内存（RAM）。 广义来讲， Java 内存模型分为两个部分：

• JVM 内存结构
• JMM 与线程规范

其中，JVM 内存结构是底层实现，也是我们理解和认识 JMM 的基础。 大家熟知的堆内存、栈内存等运行时数据区的划分就可以归为 JVM 内存结构。

JVM 内部使用的 Java 内存模型， 在逻辑上将内存划分为 线程栈（thread stacks）和堆内存 （heap）两个部分。 如下图所示：

JVM 中，每个正在运行的线程，都有自己的线程栈。 线程栈包含了当前正在执行的方法链/调用链上的所有方法的状态信息。

所以线程栈又被称为“方法栈”或“调用栈”（call stack）。线程在执行代码时，调用栈中的信息会一直在变化。

线程栈里面保存了调用链上正在执行的所有方法中的局部变量。

• 每个线程都只能访问自己的线程栈。
• 每个线程都不能访问(看不见)其他线程的局部变量。

即使两个线程正在执行完全相同的代码，但每个线程都会在自己的线程栈内创建对应代码中声明的局部变量。 所以每个线程都有一份自己的局部变量副本。

• 所有原生类型的局部变量都存储在线程栈中，因此对其他线程是不可见的。
• 线程可以将一个原生变量值的副本传给另一个线程，但不能共享原生局部变量本身。
• 堆内存中包含了 Java 代码中创建的所有对象，不管是哪个线程创建的。 其中也涵盖了包装类型（例如Byte，Integer，Long等）。
• 不管是创建一个对象并将其赋值给局部变量， 还是赋值给另一个对象的成员变量， 创建的对象都会被保存到堆内存中。

下图演示了线程栈上的调用栈和局部变量，以及存储在堆内存中的对象：

• 如果是原生数据类型的局部变量，那么它的内容就全部保留在线程栈上。
• 如果是对象引用，则栈中的局部变量槽位中保存着对象的引用地址，而实际的对象内容保存在堆中。
• 对象的成员变量与对象本身一起存储在堆上, 不管成员变量的类型是原生数值，还是对象引用。
• 类的静态变量则和类定义一样都保存在堆中。

总结一下：原始数据类型和对象引用地址在栈上；对象、对象成员与类定义、静态变量在堆上。

堆内存又称为“共享堆”，堆中的所有对象，可以被所有线程访问, 只要他们能拿到对象的引用地址。

• 如果一个线程可以访问某个对象时，也就可以访问该对象的成员变量。
• 如果两个线程同时调用某个对象的同一方法，则它们都可以访问到这个对象的成员变量，但每个线程的局部变量副本是独立的。

示意图如下所示：

总结一下：虽然各个线程自己使用的局部变量都在自己的栈上，但是大家可以共享堆上的对象，特别地各个不同线程访问同一个对象实例的基础类型的成员变量，会给每个线程一个变量的副本。

先看看栈内存(Stack)的大体结构：

每启动一个线程，JVM 就会在栈空间栈分配对应的线程栈, 比如 1MB 的空间（-Xss1m）。

线程栈也叫做 Java 方法栈。 如果使用了 JNI 方法，则会分配一个单独的本地方法栈(Native Stack)。

线程执行过程中，一般会有多个方法组成调用栈(Stack Trace), 比如 A 调用 B，B 调用 C……每执行到一个方法，就会创建对应的栈帧(Frame)。

栈帧是一个逻辑上的概念，具体的大小在一个方法编写完成后基本上就能确定。

比如 返回值 需要有一个空间存放吧，每个局部变量都需要对应的地址空间，此外还有给指令使用的 操作数栈，以及 class 指针(标识这个栈帧对应的是哪个类的方法, 指向非堆里面的 Class 对象）。

Java 程序除了栈内存之外，最主要的内存区域就是堆内存了。

堆内存是所有线程共用的内存空间，理论上大家都可以访问里面的内容。

但 JVM 的具体实现一般会有各种优化。比如将逻辑上的 Java 堆,划分为堆(Heap)和非堆(Non-Heap)两个部分.。这种划分的依据在于，我们编写的 Java 代码，基本上只能使用 Heap 这部分空间，发生内存分配和回收的主要区域也在这部分，所以有一种说法，这里的 Heap 也叫 GC 管理的堆(GC Heap)。

GC 理论中有一个重要的思想，叫做分代。 经过研究发现，程序中分配的对象，要么用过就扔，要么就能存活很久很久。

因此，JVM 将 Heap 内存分为年轻代（Young generation）和老年代（Old generation, 也叫 Tenured）两部分。

年轻代还划分为 3 个内存池，新生代(Eden space)和存活区(Survivor space), 在大部分 GC 算法中有 2 个存活区(S0, S1)，在我们可以观察到的任何时刻，S0 和 S1 总有一个是空的, 但一般较小，也不浪费多少空间。

具体实现对新生代还有优化，那就是 TLAB(Thread Local Allocation Buffer), 给每个线程先划定一小片空间，你创建的对象先在这里分配，满了再换。这能极大降低并发资源锁定的开销。

Non-Heap 本质上还是 Heap，只是一般不归 GC 管理，里面划分为 3 个内存池。

• Metaspace, 以前叫持久代(永久代, Permanent generation), Java8 换了个名字叫 Metaspace. Java8 将方法区移动到了 Meta 区里面，而方法又是class的一部分和 CCS 交叉了?
• CCS, Compressed Class Space, 存放 class 信息的，和 Metaspace 有交叉。
• Code Cache, 存放 JIT 编译器编译后的本地机器代码。

JVM 的内存结构大致如此。 掌握了这些基础知识，我们再来看看 JMM。