JVM内存模型

1、内存模型

　　JVM通过多线程机制使得多个任务同时执行处理，所有的线程共享JVM内存区域。而每个线程又有自己单独的工作内存，当线程与内存进行交互时，数据从主存拷贝到工作内存，进而交由线程处理。

2、运行时数据区

2.1、程序计数器（Program Counter Register）

2.1.1、简介

　　又称为PC寄存器。在JVM中由于多个线程轮流切换获得CPU的执行时间，因此在任一时刻，一个CPU的内核只会执行一个线程指令。为了能使线程在切换后恢复之间的程序执行位置，每个线程需要一个独立的程序计数器，来记录程序的执行位置，独立存储，避免各线程之间互不影响。因此程序计数器是线程私有的内存区域。

2.1.2、特点

　　a、内存空间较小，容量至少能保存一个ReturnAddress类型的数据或一个平台相关的本地指针的值；

　　b、各个线程私有，生命周期与线程相同；

　　c、记录每个线程当前的执行位置，如果执行的是一个java方法，则记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果执行的是Native方法，则计数器值是undefine，因为本地方法的运行依赖于硬件PC寄存器，其值由操作系统来维护；

　　d、不抛出任何异常，是内存区域中唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.2、java栈（Java Virtual Machine Stack）

2.2.1、简介

　　又称Java虚拟机栈或JVM栈，描述的是java方法执行的内存模型：Java虚拟机是基于栈架构设计的，大多数操作是从当前栈帧取出一个或多个操作数，或将结果压入操作数栈中。每调用一个方法，都会创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接方法、返回地址（方法出口）等信息。每一个方法被调用直到返回的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。各个线程的栈帧都是相互独立、互不侵犯的，所以这也解释了局部变量在多线程环境下的线程安全特征。

当前栈帧

　　当调用一个方法时，如果其调用链很长，可能有许多方法都处于执行状态，JVM栈中相应地有多个栈帧，但对于执行引擎来说，位于JVM栈栈顶的栈帧是有效的，这个栈帧称为当前栈帧，所代表的方法称为当前方法，当前方法所属的类称为当前方法。执行引擎的所有指令都是针对当前栈帧进行操作的。

局部变量表

　　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）、对象的引用（reference类型，不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是一个代表对象的句柄或者其他与对象相关的位置）和 returnAdress类型（指向下一条字节码指令的地址）。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，在方法在运行之前，该局部变量表所需要的内存空间是固定的，运行期间也不会改变（详细信息请参见Class文件中的Code属性）。

　　虚拟机栈的大小决定了方法调用的最大深度（如递归层次、嵌套调用层数等，-Xss参数配置虚拟机栈的发小）。栈的大小可以是固定的，也可以是动态扩展的。

　　在虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：（1）如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时也无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.2、特点

　　a、栈结构，先进后出；

　　b、存放的是方法执行的内存模型（栈帧），方法调用时入栈，调用返回时出栈；

　　c、线程私有，生命周期与线程相同；

　　d、在虚拟机规范中，会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError两种异常。

2.3、本地方法栈（Native Method Stacks）

　　本地方法栈的作用类似于java虚拟机栈，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行java方法服务，而本地方法栈则为Native方法服务。即管理的不是JAVA方法，是本地方法，本地方法是用C实现的。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

　　特点同虚拟机栈。

2.4、java堆（java heap）

2.4.1、简介

java堆是java虚拟机所管理的内存中最大一块内存，被所有进程所共享。此内存的唯一目的就是存放对象实例和数组，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。java堆也是垃圾回收器管理的主要区域，因此有时候也被称为GC堆。从垃圾回收的角度，可以进一步细分：

New----年轻代、新生代

　　用来存放刚创建的对象和年轻的对象。年轻代又划分为以下几个部分：

　　Eden Space：用来存放JVM刚分配的对象

　　Survivor Space0(from space)：

　　Survivor Space1(to space)

　　两个Survivor的空间大小一样，当Eden中的对象经过垃圾回收没有被回收掉时，并不是立即拷贝到年老代内存中，而是在两个Survivor之间来回复制，当满足某个条件，如复制次数，就会被复制到年老代内存中。两个Survivor的存在是为了增加对象在年轻代内存中停留的时间，增加被垃圾回收的可能性。两者分别称为From Survivor、To Survivor

Tenured----年老代

　　如果年轻代中的对象一直未被回收，生存时间足够长，会被移入到年老代；

　　Java虚拟机规范规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。在实现时，可以是固定大小，也可以是可扩展的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

对象的内存分配

　　往大方向上讲就是在堆上分配，对象主要分配在年轻代的Eden Space和From Space，少数情况下会直接分配在年老代。如果年轻代的Eden Space和From Space的空间不足，则会发起一次GC，会将Eden Space和From  Space中的存活对象复制到To Space，然后将Eden Space和From Space进行清理。如果在复制过程中，To Space没有足够空间来存储某个对象，就会将该对象移动到年老代中。在进行了GC之后，使用的便是Eden space和To Space了，下次GC时再将存活对象复制到From Space，如此反复循环。当对象在Survivor区躲过一次GC的话，其对象年龄便会加1，默认情况下，如果对象年龄达到15岁，就会移动到年老代中。

　　一般来说，大对象会被直接分配到年老代，所谓的大对象是指需要大量连续存储空间的对象，最常见的一种大对象就是大数组，比如：byte[] data = new byte[4*1024*1024]，这种一般会直接在老年代分配存储空间。

2.4.2、特点

　　a、各线程共享的内存区域

　　b、存放程序创建的对象实例

　　c、是垃圾回收器管理的主要区域

　　d、从垃圾回收角度可划分为新生代和年老代，其中新生代可进一步划分为Eden、Survivor1、Survivor2

　　e、没有内存完成实例分配，并且也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常

2.5、方法区（Method Area）

2.5.1、简介

　　方法区与java堆一样，是各线程共享的内存区域，用于存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据，其大小跟项目的规模、类/方法的多少有关。java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是他有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的是与java堆区分开。

方法区与永久代的关系

　　很多人把方法区成为“永久代”（Permanent Generation），但两者本质上并不等价。仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队把GC分代收集扩展到方法区，即使用永久代来实现方法区而已，即“永久代”的概念只使用在垃圾回收的范畴内。

　　Java 虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java 堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。垃圾回收在这个区域会比较少出现，这个区域内存回收的目的主要是针对常量池的回收和类的卸载。

　　根据Java 虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError 异常。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

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

2.5.2、特点

　　a、各线程共享的内存区域

　　b、存放类信息，大小项目的规模、类的多少有关；

　　c、垃圾回收较少出现，主要针对常量池的回收和类的加载。

　　d、当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError 异常。

2.6、直接内存（Direct Memory）

　　直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范定义的内存区域，但当虚拟机内存动态扩展时，将使用到这一区域，且可能会导致OutOfMemoryError异常。

　　在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output），引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，他可以使用Native函数库直接分配对外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectBuffer对象作为这块内存的引用。这样能在一些场景中现住提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

　　如果频繁使用直接内存，可能造成虚拟机内存在动态扩展时物理内存不足，进而出现OutOfMemoryError异常。

3、对象访问的底层实现

对象访问在java语言中无处不在，是最普通的程序行为，即使是最简单的访问，也会涉及到java虚拟机栈、java堆和方法区这三个内存区域的关联关系。

　　Object obj = new Object();

　　（1）局部变量Object obj的语义反映到java虚拟机栈的本地变量表中，作为一个reference类型数据出现。

　　（2）新建对象new Object()的语义将会反映到java堆中，分配一块能够存储Object类型所有实例数据值的结构化内存，此外，在java堆中还必须包含能找到此对象类型数据（如对象类型、父类、实现的接口、方法等）的地址信息，这类数据存储在方法区中。

　　由于reference 类型在Java 虚拟机规范里面只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过哪种方式去定位，以及访问到Java 堆中的对象的具体位置，因此不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同，主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。

3.1、句柄访问方式

　　Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息。

　　优势：reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference 本身不需要被修改。

3.2、指针访问方式

　　如果使用直接指针访问方式，Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference 中直接存储的就是对象地址。

　　优势：速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

　　就虚拟机HotSpot而言，它使用指针方式进行对象访问。

4、参考资料

https://www.cnblogs.com/dingyingsi/p/3760447.html

http://blog.csdn.net/qq_36859415/article/details/53407439

Java虚拟机规范（Java SE 7版）Tim Lindholm, Frank Yelin, Gilad Bracha, Alex Buckley著，周志明、薛笛、吴璞渊、冶秀刚译。