JVM的内存模型

1. 概述

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我们运行一个Java程序时，操作系统会相应启动一个JVM进程，同时为这个进程分配一块内存。在这一块内存中，JVM又按照功能的不同划分出不同的小的内存区域。

2. JVM内存划分

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JVM将内存划为以下5大部分

• 堆
• 方法区
• 程序计数器
• Java虚拟机栈
• 本地方法栈

 

其中堆和方法区是全局的，即所有线程共享，而程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈是线程私有的。下面看看各个区域的具体内容。

2.1. 堆

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堆是JVM中的重点区域，几乎所有的对象实例都在堆区分配内存，即new出来的对象都会存放在堆区中。

在Java应用程序中，一般而言，大部分对象创建出来只需存活（存在引用）一会，只有少数对象需要长期存活。根据对象在JVM中的生命周期不同，堆的区域又会细分为新生代和老年代，而新生代又可以细分为：Eden区和两个Survivor区。可以参照以下示例图：

 

 

为啥要区分新生代和老年代？
这和垃圾回收有关，新生代中的对象其特点是创建之后很快就会被回收，需要复制算法的垃圾回收器对其进行回收；而老年代中对象的特点是需要长期存在，需要标记-清除的垃圾回收器对其进行回收。

2.1.1 对象在堆中的分配策略

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JVM会按照一定的规则来创建对象，这些规则为新创建的对象在堆的哪一块区域分配空间，新生代中的对象什么时候会转移到老年代中去？

• 对象优先分配在新生代的Eden区；
• 大对象直接进入老年代，可以通过-XX:PretenureSizeThreshold进行设置；

以下为从新生代转移到老年代的规则：

• 长期存活的对象将进入年老代，对象在新生代中每熬过一次垃圾回收，年龄就加一岁，默认当年龄达到15岁（也可以通过-XX:MaxTenuringThreshold进行设置），就会进入老年代。
• 新生代垃圾回收之后，存活大象太多，一块Survivor区域放不下，大量对象会直接进入老年代；
• 动态对象年龄判断机制。当年龄1+年龄2+年龄n的多个年龄对象的大小总和超过了单个Survivor内存的50%，此时就会把年龄n及以上的对象放入老年代。
• 老年代空间担保机制。每次在进行Young GC之前，都会进行一段逻辑的判断，具体判断规则如下所示：

空间担保机制

2.1.2. 短期存活对象和长期存活对象

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咱们平时代码里创建的对象，一般可以分为两种：

• 短期存活对象，分配在Java堆内存之后，又会被垃圾回收器迅速回收掉。这种对象存在新生代中；
• 长期存活对象，需要长期存在于Java堆内存中，让程序可以不断的使用。这种对象最终会存在老年代中。

/**
 * 存活对象示例：
 *     短期存活对象
 *     长期存活对象
 */
public class SurvivingObjectDemo {
    //长期存活对象
    private static LongItem longItem = new LongItem();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        invoke(); // step1
        
        while(true) {
            longItem.m1();
            Thread.currentThread().sleep(1000);
        }
    }
    
    private static void invoke() {
        // 短期存活对象
        ShortItem shortItem = new ShortItem();
        shortItem.m2();
    }
    
    private static class LongItem {
        public void m1(){
            System.out.println("longItem m1");
        }
    }

    private static class ShortItem {
        public void m2() {
            System.out.println("shortItem m2");
        }
    }
}

运行上述程序，存在一个main线程，而main线程中有一个Java虚拟机。方法的调用会创建栈帧并入栈，方法调用结束栈帧出栈。当程序执行到step1时，jvm的内存情况如下：

 

当invoke()调用结束，其栈帧就会出栈，ShortItem示例对象就没有引用指向，继而被当成垃圾进行回收。所以类似这种方法中创建的对象都是短期存活对象。

 

而longItem在循环中一直被调用，所以它是个长期存活对象。此外，在spring应用中，被@Controller、@Service、@Compone修饰的单例对象都是长期存活对象。

2.2. 方法区

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方法区和堆一样，是一块线程共享的区域，其主要存储：已被虚拟机加载的类型、常量、静态变量。
在HotSpot中，方法区也叫永久代，那方法区和永久代有什么区别？方法区是JVM虚拟机中定义的规范，而规范需要具体的产品去实现，在HotSpot具体虚拟机产品中，它对于方法区的实现称为永久代。

在方法区中还存储着一块称为常量池的区域，主要存储八大基本类型的包装类型和String类型的数据。

2.3. 程序计数器

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在多线程环境中就会发生线程上下文切换。假如线程A正在执行一个任务1，还没有执行完就要让出CPU的执行权，而后续线程A继续执行任务1时，如何知道任务1执行到哪了？这个时候就需要借助程序计数器记录一下当前线程执行到哪一步指令了。

虚拟机规范中指出，每一条线程都有一个独立的程序计数器。注意，Java虚拟机中的程序计数器指向正在执行的字节码地址，而不是下一条。

2.4. Java虚拟机栈

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Java虚拟机栈是方法执行的内存模型。当调用一个方法时，会在Java虚拟机栈中创建一个栈帧并将该栈帧入栈，当方法调用结束后，会将栈帧进行出栈。一个栈帧中存储的内容如下图所示：

 

2.5. 本地方法栈

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本地方法栈和Java虚拟机栈类似，只是本地方法栈管理的是native方法。而在HotSpot虚拟机中，将本地方法栈和Java虚拟机栈合二为一。

3. JDK8中的改变

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JDK1.8，HotSpot已经将永久代去除，取而代之的是元数据区。元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元数据空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

移除永久代的原因：

1. HotSpot和JRockit合并，JRockit中没有永久代；

4. 扩展阅读

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Java内存管理-JVM内存模型以及JDK7和JDK8内存模型对比总结（三）

作者：Coding小聪
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来源：简书
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