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面試必問(wèn)，JVM內(nèi)存模型掃盲

JVM簡(jiǎn)介

JVM（Java Virtual Machine，Java虛擬機(jī)）是Java語(yǔ)言的核心，是一個(gè)用于解釋Java字節(jié)碼的虛擬計(jì)算機(jī)。它可以在運(yùn)行Java程序時(shí)自動(dòng)管理內(nèi)存、處理異常等。Java程序員不需要關(guān)心底層硬件和操作系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，只需要編寫(xiě)符合Java語(yǔ)法規(guī)范的代碼，就可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的編程。

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當(dāng)我們編寫(xiě)Java程序時(shí)，Java源代碼會(huì)被編譯成為Java字節(jié)碼（ .java 文件被編譯成 .class 文件）。這些字節(jié)碼可以在任何安裝了Java虛擬機(jī)的平臺(tái)上運(yùn)行。JVM在執(zhí)行Java字節(jié)碼時(shí)，將其轉(zhuǎn)換成特定于底層CPU和操作系統(tǒng)的機(jī)器代碼。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)簡(jiǎn)介

為了執(zhí)行字節(jié)碼，JVM在內(nèi)存中定義了一系列的數(shù)據(jù)區(qū)，用于在運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)各類(lèi)數(shù)據(jù)，即運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Areas）。理解這些數(shù)據(jù)區(qū)及其作用，是掌握J(rèn)ava性能調(diào)優(yōu)和錯(cuò)誤排查的關(guān)鍵。

JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)是 Java 虛擬機(jī)在執(zhí)行 Java 程序時(shí)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的內(nèi)存區(qū)域，這些區(qū)域各司其職，確保了 Java 程序的正確執(zhí)行。JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)主要分為五個(gè)部分：程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）、虛擬機(jī)棧（VM Stack）、本地方法棧（Native Method Stack）、堆（Heap）、方法區(qū)（Method Area）。JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地分配和釋放內(nèi)存，內(nèi)存管理由JVM自動(dòng)完成。不同的數(shù)據(jù)區(qū)域有不同的內(nèi)存管理機(jī)制和垃圾回收算法，以保證程序運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性。

其中程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧屬于線(xiàn)程私有區(qū)域，跟隨線(xiàn)程的啟動(dòng)和結(jié)束而建立和銷(xiāo)毀。堆和方法區(qū)是線(xiàn)程共享區(qū)域，跟隨虛擬機(jī)進(jìn)程的啟動(dòng)而存在。

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，作用是指示當(dāng)前線(xiàn)程正在執(zhí)行的 JVM 字節(jié)碼指令地址。

虛擬機(jī)棧（VM Stack）存放的是一些基本類(lèi)型的變量（如int, long）和對(duì)象引用。Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型是以棧幀（Stack Frame）為基礎(chǔ)的，每個(gè)方法在執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，棧幀中存放了局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。

本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機(jī)棧類(lèi)似，其主要服務(wù)于 JVM 使用到的 Native 方法。

堆區(qū)（Heap）是 JVM 所管理的最大一塊內(nèi)存空間，主要用于存放所有線(xiàn)程共享的 Java 對(duì)象實(shí)例。這也是垃圾回收器主要活動(dòng)區(qū)域。

方法區(qū)（Method Area）是用來(lái)存儲(chǔ)加載的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)的。這個(gè)區(qū)域是線(xiàn)程共享的。

1. 程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是線(xiàn)程私有區(qū)域，生命周期與線(xiàn)程一致，也是 JVM 內(nèi)存中唯一一個(gè)沒(méi)有任何 OutOfMemoryError 的區(qū)域。

程序計(jì)數(shù)器的作用是記錄當(dāng)前線(xiàn)程正在執(zhí)行的指令地址，換句話(huà)說(shuō)，它指向了下一條將要被執(zhí)行的 JVM 字節(jié)碼指令。在 JVM 的概念模型中，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。

當(dāng)線(xiàn)程執(zhí)行的是 Java 方法時(shí)，這個(gè)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；如果正在執(zhí)行的是 Native 方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器的值則為空（Undefined）。

程序計(jì)數(shù)器對(duì)于現(xiàn)代多線(xiàn)程而言至關(guān)重要，因?yàn)樵?CPU 切換各個(gè)線(xiàn)程時(shí)，需要將各個(gè)線(xiàn)程的程序計(jì)數(shù)器記錄下來(lái)，以便在下一次切換回這個(gè)線(xiàn)程時(shí)，能知道該從哪里繼續(xù)執(zhí)行。

總結(jié)：

程序計(jì)數(shù)器是一塊很小的內(nèi)存空間，也是運(yùn)行速度最快的存儲(chǔ)區(qū)域。
在 JVM 規(guī)范中，每個(gè)線(xiàn)程都有它自己的程序計(jì)數(shù)器，是線(xiàn)程私有的，生命周期與線(xiàn)程的生命周期一致。
如果當(dāng)前線(xiàn)程正在執(zhí)行的是 Java 方法，程序計(jì)數(shù)器記錄的是 JVM 字節(jié)碼指令地址，如果是執(zhí)行 native 方法，則是未指定值（undefined）
它是程序控制流的指示器，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線(xiàn)程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴(lài)這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成
字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令
它是唯一一個(gè)在 JVM 規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定任何 OutOfMemoryError 情況的區(qū)域

2. 虛擬機(jī)棧

與程序計(jì)數(shù)器一樣，Java虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線(xiàn)程私有的，生命周期與線(xiàn)程相同。描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。

在 JVM 中，每當(dāng)一個(gè)新的線(xiàn)程被創(chuàng)建，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的私有 JVM 棧。這個(gè)棧會(huì)隨著線(xiàn)程的運(yùn)行而進(jìn)行入棧（push）和出棧（pop）操作。它主要用于存儲(chǔ)局部變量、操作數(shù)堆棧以及方法調(diào)用的情況。

JVM 棧是由一系列棧幀（Stack Frame）組成的。每當(dāng)一個(gè)方法被調(diào)用，一個(gè)新的棧幀就會(huì)被壓入棧中，每當(dāng)一個(gè)方法調(diào)用結(jié)束，一個(gè)棧幀就會(huì)被彈出棧。每個(gè)棧幀中都包含了局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接和方法返回地址等信息。

局部變量表主要存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對(duì)象引用（reference 類(lèi)型，它不等同于指針，可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?，也可能是指向一個(gè)代表對(duì)象的句柄或者其他與此對(duì)象相關(guān)的位置）和 returnAddress 類(lèi)型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。

操作數(shù)棧則是在執(zhí)行字節(jié)碼指令時(shí)用到的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)，比如在進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算時(shí)，操作數(shù)棧就會(huì)用來(lái)存放操作數(shù)和接收結(jié)果。

Java虛擬機(jī)棧可能會(huì)拋出以下異常：

如果線(xiàn)程請(qǐng)求的棧深度大于 JVM 所允許的深度，將拋出 StackOverflowError。
如果 JVM 棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，會(huì)拋出 OutOfMemoryError。

3. 本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stack）也是線(xiàn)程私有，生命周期與線(xiàn)程相同。作用是與虛擬機(jī)棧類(lèi)似，虛擬機(jī)棧是為Java 方法服務(wù)的，而本地方法棧是為 Native 方法服務(wù)的。

和虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧的大小可以是固定的也可以是動(dòng)態(tài)的。如果是固定的，當(dāng)線(xiàn)程請(qǐng)求的棧深度超過(guò)最大深度時(shí)，會(huì)拋出 StackOverflowError。如果是動(dòng)態(tài)的，并且在嘗試擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，會(huì)拋出 OutOfMemoryError。

4. 堆

堆（Heap）是 JVM 所管理的最大一塊內(nèi)存空間，也是所有線(xiàn)程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。堆主要用于存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例和數(shù)組，這也是 Java 垃圾回收器主要活動(dòng)的區(qū)域。

在物理上，堆區(qū)可以處于分散的內(nèi)存空間中，但在邏輯上它被視為連續(xù)的。堆區(qū)在 JVM 啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，如果堆區(qū)的空間不足，將會(huì)拋出 OutOfMemoryError。

堆分為新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新生代又分為 Eden 區(qū)、From Survivor 區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng) S0）、 To Survivor 區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng) S1）。劃分這么多區(qū)域的目的是為了更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。

新生代中各個(gè)區(qū)域的內(nèi)存占比分別是，Eden : S0 : S1 = 8 : 1 : 1

新創(chuàng)建的對(duì)象優(yōu)先在 Eden 區(qū)進(jìn)行分配。當(dāng) Eden 區(qū)滿(mǎn)時(shí)，會(huì)觸發(fā)一次 Minor GC（新生代垃圾回收，也叫 Young GC），將仍然存活的對(duì)象從 Eden 區(qū)和 S0 區(qū)移動(dòng)到 S1 區(qū)，下次 Minor GC 處理情況類(lèi)似，把存活的對(duì)象從 Eden 區(qū)和 S1 區(qū)移動(dòng)到 S0 區(qū)。當(dāng) Survivor 區(qū)也滿(mǎn)了，還存活的對(duì)象會(huì)被移動(dòng)到老年代。如果老年代也滿(mǎn)了，將會(huì)觸發(fā) Major GC（老年代垃圾回收，也叫 Old GC）。當(dāng)老年代滿(mǎn)了，也可能觸發(fā) Full GC，F(xiàn)ull GC 會(huì)對(duì)整個(gè)堆內(nèi)存進(jìn)行垃圾回收，包含新生代、老年代和方法區(qū)。Full GC 會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的停頓時(shí)間，并且會(huì)消耗大量的系統(tǒng)資源。

5. 方法區(qū)

方法區(qū)（Method Area）與堆一樣，是所有線(xiàn)程共享的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

方法區(qū)只是 JVM 規(guī)范中定義的一個(gè)概念，針對(duì) Hotspot 虛擬機(jī)，JDK8 之前使用永久代（Permanent Generation，簡(jiǎn)稱(chēng) PermGen）實(shí)現(xiàn)，JDK8 使用元空間（Metaspace）實(shí)現(xiàn)。

JDK8 之前可以通過(guò) -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 來(lái)設(shè)置永久代大小，JDK8 之后，使用元空間替換了永久代，改為通過(guò) -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 來(lái)設(shè)置元空間大小。

運(yùn)行時(shí)常量池

運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)中的一部分，用于存儲(chǔ)編譯期間生成的各種字面量和符號(hào)引用。在Java程序運(yùn)行時(shí)，JVM將編譯期生成的class文件中的常量池內(nèi)容讀取到運(yùn)行時(shí)常量池中。

運(yùn)行時(shí)常量池存儲(chǔ)了類(lèi)和接口中的常量，包括字符串字面量、被聲明為final的常量值等。它還存儲(chǔ)了類(lèi)和接口中的符號(hào)引用，如類(lèi)和接口、字段和方法的引用等。

在JVM中，運(yùn)行時(shí)常量池是線(xiàn)程安全的。每個(gè)線(xiàn)程都有一個(gè)自己的線(xiàn)程棧，其中包含了局部變量表，而這些局部變量表中所引用的對(duì)象都位于堆中。當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程需要引用運(yùn)行時(shí)常量池中的常量時(shí)，JVM會(huì)先將常量值從運(yùn)行時(shí)常量池中復(fù)制到線(xiàn)程棧的局部變量表中，然后再進(jìn)行引用。

需要注意的是，在JDK8中，運(yùn)行時(shí)常量池已經(jīng)被移動(dòng)到元空間（Metaspace）中。元空間是在本地內(nèi)存中分配的，與JVM的堆內(nèi)存是分離的，因此不會(huì)受到Java堆大小的限制。

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