如何理解Java虛擬機中JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)

這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會給大家?guī)碛嘘P(guān)如何理解Java虛擬機中JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

前言

JVM是Java中比較難理解和掌握的一部分，也是面試中被問的比較多的，掌握好JVM底層原理有助于我們在開發(fā)中寫出效率更高的代碼，可以讓我們面對OutOfMemoryError時不再一臉懵逼，可以用掌握的JVM知識去查找分析問題、去進行JVM的調(diào)優(yōu)、去讓我們的應(yīng)用程序可以支持更高的并發(fā)量等。。。。。。總之一句話，學(xué)好JVM很重要！

JVM是什么

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，JVM是一種用于計算設(shè)備的規(guī)范，它是一個虛構(gòu)出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現(xiàn)的，注意JVM是基于軟件的，不是基于硬件的。

Java語言的一個非常重要的特點就是與平臺的無關(guān)性。而使用Java虛擬機是實現(xiàn)這一特點的關(guān)鍵。一般的高級語言如果要在不同的平臺上運行，至少需要編譯成不同的目標(biāo)代碼。而引入Java語言虛擬機后，Java語言在不同平臺上運行時不需要重新編譯。Java語言使用模式Java虛擬機屏蔽了與具體平臺相關(guān)的信息，使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運行。Java虛擬機在執(zhí)行字節(jié)碼時，把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機器指令執(zhí)行。

比如下圖：我們編譯后產(chǎn)生的.class文件是二進制的字節(jié)碼，字節(jié)碼是不能被機器直接運行的，通過JVM把編譯好的字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成對應(yīng)操作系統(tǒng)平臺可以直接識別運行的機器碼指令，JVM充當(dāng)了一個中間轉(zhuǎn)換的橋梁，這樣我們編寫的Java文件就可以做到 "一次編譯，到處運行" 。

JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)概覽

JVM虛擬機規(guī)范官方文檔地址：https://docs.oracle.com/javase/specs/，JDK8虛擬機參考手冊地址：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/index.html，JDK8官方文檔地址為https://docs.oracle.com/javase/8/docs/，JDK8中內(nèi)存結(jié)構(gòu)文檔https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html。

我們先看下下面這張圖（這張圖非常重要！非常重要！非常重要?。粋€Java文件的執(zhí)行過程為：Hello.java文件通過javac被編譯為Hello.class文件，然后類裝載子系統(tǒng)將class文件加載到運行時數(shù)據(jù)區(qū)，通過執(zhí)行引擎去執(zhí)行生成的機器指令。

Java虛擬機在執(zhí)行Java程序的過程中會把它所管理的內(nèi)存劃分為若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域，這個數(shù)據(jù)區(qū)域就叫運行時數(shù)據(jù)區(qū)。運行時數(shù)據(jù)區(qū)主要包含了PC寄存器（程序計數(shù)器）、Java虛擬機棧、本地方法棧、Java堆、方法區(qū)以及運行時常量池，這其中Java堆、方法區(qū)跟Java虛擬機棧是學(xué)習(xí)的重點。

但是，需要注意的是，上面的區(qū)域劃分只是邏輯區(qū)域，對于有些區(qū)域的限制是比較松的，所以不同的虛擬機廠商在實現(xiàn)上，甚至是同一款虛擬機的不同版本也是不盡相同的。

運行時數(shù)據(jù)區(qū)

程序計數(shù)器

程序計數(shù)器（Program counter Register，也叫PC寄存器）是一塊較小的內(nèi)存空間，是線程私有的，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里（僅是概念模到，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現(xiàn)），字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需耍依賴這個計數(shù)器來完成。因為Java是可以多線程執(zhí)行的，一個線程執(zhí)行到一半可能因為CPU時間片輪轉(zhuǎn)切換到了另外一個線程，在切換回之前線程的時候，需要回到線程上次的執(zhí)行位置，所以要線程私有。

如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Native方法，這個計數(shù)器值則為空（Undefined）。此內(nèi)存區(qū)城是唯一一個在Java虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情祝的區(qū)域。

比如在下面代碼中test1()中調(diào)用了test2()，test2()執(zhí)行完成后退出，這時候需要回到test1()方法中繼續(xù)執(zhí)行，程序計數(shù)器記錄了下一個需要執(zhí)行的指令的行號。

public void test1(){
    test2();
    System.out.println("test1");
}
 
public void test2(){
    System.out.println("test2");
}

Java虛擬機棧

Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法在執(zhí)行的同到都會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。棧幀是Java方法運行時的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬棧中從入棧到出棧的過程（說人話就是要執(zhí)行一個方法，將該方法的棧幀壓入棧頂，方法執(zhí)行完成其棧幀出棧）。在JVM里面，棧幀的操作只有兩種：出棧和入棧。正在被線程執(zhí)行的方法稱為當(dāng)前線程方法，而該方法的棧幀就稱為當(dāng)前幀。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、long、float、double）、對象引用（reference類型，它不等同于對象本身，可能是一個指向?qū)ο笫嫉刂返囊弥羔?，也可能是指向一個代表對象的句柄或其地與此對象相關(guān)的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址)。

在Java虛擬機規(guī)范中，對這個區(qū)域定了兩種異狀況：如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverFlowError異常；一般的虛擬機棧都是可擴展的，如果擴展時無法豐請到足夠的內(nèi)存，就會拋出OutOfMemoryError異常，可以通過-Xss設(shè)置每個線程的堆棧大小。

Java虛擬機棧的結(jié)構(gòu)如下圖所示：Java虛擬機棧的生命周期與線程一致，一個方法對應(yīng)一塊棧幀內(nèi)存區(qū)域，棧幀中包含局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。拿下面代碼舉例，程序執(zhí)行main()，main()先壓入棧頂，然后main()方法中new了一個Math對象，math變量是指向堆中Math對象的引用，math變量就屬于局部變量表，創(chuàng)建Math對象之后，調(diào)用了其compute()，然后compute()壓入棧頂，compute方法執(zhí)行完成后其棧幀出棧，然后根據(jù)程序計數(shù)器記錄程序執(zhí)行的行號，繼續(xù)回到main方法執(zhí)行，main方法中已經(jīng)沒有其他執(zhí)行指令了，則main方法退出，main方法對應(yīng)的棧幀出棧，虛擬機棧中已經(jīng)沒有其他棧幀，main線程生命周期結(jié)束。

注意：關(guān)于Java虛擬機棧中的棧幀，還有棧幀中的組成部分，這里只是做個簡單的概述，后續(xù)會單獨進行詳細(xì)講解，希望繼續(xù)關(guān)注。

public class Math {
 
	private static final Integer CONSTANT=666;
	
	private int compute() {//一個方法對應(yīng)一塊棧幀內(nèi)存區(qū)域
		int a=3;
		int b=5;
		int c=(a+b)*10;
		return c;
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		Math math=new Math();
		math.compute();
	}
}

本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機棧非常相似，也是線程私有的，它們的區(qū)別不過是虛擬機棧執(zhí)行的是Java方法（也就是字節(jié)碼），而本地方法棧用到的是Native方法。與虛擬機戰(zhàn)一樣。本地方法棧區(qū)域也會出現(xiàn)StackOverFlowError和OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)

方法區(qū)（Method Area），是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，，它用于存儲已被虛擬機加載的類型信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼緩存等數(shù)據(jù)。雖然JVM規(guī)范將方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但它卻還有一個別名叫做Non一Heap（非堆），目的就是要和堆分開。這部分存儲的是運行時必須的類相關(guān)信息，裝載進此區(qū)域的數(shù)據(jù)是不會被垃圾收集器回收的，只有關(guān)閉Jvm才會釋放這塊區(qū)域占用的內(nèi)存。

對于Hotspot虛擬機，很多開發(fā)者習(xí)慣將方法區(qū)稱之為“永久代（Parmanent Gen)"，但嚴(yán)格本質(zhì)上說兩者不同，或者說使用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)而己，永久代是方法區(qū)（相當(dāng)于是一個接口interface）的一個實現(xiàn)，idkl.7的版本中，己經(jīng)將原本放在永久代的字符串常量池移走。Jdk1.7中方法區(qū)是用永久代實現(xiàn)的，到1.8中是用元空間（MetaSpace）實現(xiàn)的，而元空間使用的是直接內(nèi)存。

根據(jù)Java虛擬機規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時會拋出OutOfMemoryError異常?？梢酝ㄟ^-XX:PermSize和 -XX:MaxPermSize來分別設(shè)置永久區(qū)最小、最大空間。

運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池，用于存放編譯期生產(chǎn)的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容在類加載后進入方法區(qū)的運行時常量池中存放。

常量池中主要存放兩大類常量：字面量(Literal)和符號引用（Symbolic References)。字面量比較接近于Java語言層面的常量概念，如文本字符串、聲明為final的常量值等。而符號引用則屬于編譯原理方面的概念，包括了下面三類常量：

• 類和接口的全限定名（Fully Qualified Name）

• 字段的名稱和描述符（Descriptor)

• 方法的名稱和描述符

Java代碼在進行Javac編譯的時候，并不像C和C++那樣有“連接”這一步驟，而是在虛擬機加載Class文件的時候進行動態(tài)連接。也就是說，在Class文件中不會保存各個方法、字段的最終內(nèi)存布局信息，因此這些字段、方法的符號引用不經(jīng)過運行期轉(zhuǎn)換的話無法得到真正的內(nèi)存人口地址，也就無法直接被虛擬機使用。當(dāng)虛擬機運行時，需要從常量池獲得對應(yīng)的符號引用，再在類創(chuàng)建時或運行時解析、翻譯到具體的內(nèi)存地址之中。

Java語言不要求常量一定只有編譯器才能產(chǎn)生，運行時也可能將新的常量放入池中，該特性用的比較多的就是String類的intern（）方法。運行時常量池是方法區(qū)的一部分，在內(nèi)存不夠時，也會拋出OutOfMemoryError異常。

Java堆

對于大多數(shù)應(yīng)用來說，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java堆是線程共享的，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內(nèi)存。這一點在Java擬機規(guī)范中的描述是：所有的對象實例以及數(shù)組都要在堆上分配，但是著JIT編譯器的發(fā)展與逸分析技術(shù)逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換優(yōu)化技術(shù)會導(dǎo)致一些微妙的變化發(fā)生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那么"絕對"了。

Java堆是被收集管理的主要區(qū)域，因此很多時候也被稱做"GC堆"（Garbage Collected Heap）。從內(nèi)存回收角度來看，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代算法（為什么要采用分代算法，常用的垃圾收集算法有哪些后面會進行介紹），所以堆中還以細(xì)分：新生代（Young/New）和老年代（Old/Tenure），新生代又可以劃分為Eden（伊甸園）空間、survivor（幸存區(qū)，其又可以分為from survivor和to survivor，也就是S0和S1）空間等。從內(nèi)存分配的角度來看，線程共享的Java堆中可劃分出多個程私有的分配緩沖區(qū)（Thread Local Allocation Buffer，TLAB)。不過無論如何劃分，都與存放內(nèi)容無關(guān)，無論哪個區(qū)域，存儲的都仍然是對象實例，進一步劃分的是為了更好地回收內(nèi)存，或更快地分配內(nèi)存。

根據(jù)Java虛擬機規(guī)范的規(guī)定，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只邏輯上是連續(xù)的即可。.Java虛擬機中可以對堆進行擴展，可以通過-Xms 設(shè)置起始堆大小、通過-Xmx設(shè)置最大堆大小、通過-XX:NewSize設(shè)置新生代最小空間大小、通過 -XX:MaxNewSize設(shè)置新生代最大空間大小。如果在堆中沒有完成實例分配，并且地也無法再擴展時，將會拋OutOfMemoryError異常。

下圖是Java7中的Jvm內(nèi)存劃分：

• 堆（Heap）、永久代（PermGen）

• 堆（Heap）又分為新生代（NewGen）或者叫年輕代（YoungGen）、老年代（OldGen）

• 年輕代（YoungGen）又可分為Eden區(qū)（伊甸園區(qū)）、Survivor區(qū)（幸存區(qū)）

• Survivor區(qū)（幸存區(qū)）又可分為FromSpace（S0）和ToSpace（S1），整個年輕代中默認(rèn)比例Eden：S0：S1=8：1：1，同一時間內(nèi)S0跟S1只會有一個區(qū)域被占用

• 年輕代（New）：年輕代用來存放JVM剛分配的Java對象

• 年老代（Old)：年輕代中經(jīng)過垃圾回收沒有回收掉的對象將被Copy到年老代

• 永久代（Perm）：永久代存放Class、Method元信息，其大小跟項目的規(guī)模、類、方法的量有關(guān)

• 年輕代發(fā)生的GC叫Minor GC，老年代發(fā)生的GC叫Major GC

• 另外還有一個Full GC，是清理整個堆空間—包括年輕代和永久代

關(guān)于堆的分代、還有對象是如何從年輕代進入老年代等都會在后面的章節(jié)中介紹。

我們看下面這張圖，在JDK1.8中將永久代去掉了，改由元空間（MetaSpace）去實現(xiàn)方法區(qū)，而元空間跟永久代的最大區(qū)別就是其不在JVM內(nèi)存中，而是使用的直接內(nèi)存。

關(guān)于方法區(qū)、常量池、永久代在JDK6、7、8中的變動還是挺大的：

• Jdk1.6及之前：有永久代，常量池1.6在方法區(qū)

• Jdk1.7：有永久代，但己經(jīng)逐步“去永久代”，常量池1.7在堆

• Jdk1.8及之后：無永久代，常量池1.8在元空間

直接內(nèi)存

直接內(nèi)存（Direct Memory）并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java虛擬機規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。在JDK1.4中新加入了NlO(New Inpu/Output）類，引入了一種基于通道（Channel)與緩沖區(qū)（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

顯然，本機直接內(nèi)存的分配不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是內(nèi)存，肯定還是會受到本機總內(nèi)存（包括RAM以及SWAP區(qū)或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。當(dāng)各個內(nèi)存區(qū)域總和大于物理內(nèi)存限制（包括物理的和操作系統(tǒng)級的限制），會導(dǎo)致動態(tài)擴展時出現(xiàn)OutOfMemoryError異常。

上述就是小編為大家分享的如何理解Java虛擬機中JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進行理解。如果想知道更多相關(guān)知識，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。