JVM 内存模型和Java结构详解 (五大模型图解)

2022-08-1023:24:25后端程序开发Comments1,458 views字数 3325阅读模式

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JVM 内存模型和 Java 内存模型都是面试的热点问题，名字看感觉都差不多，实际上他们之间差别还是挺大的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

通俗点说，JVM 内存结构是与 JVM 的内部存储结构相关，而 Java 内存模型是与多线程编程相关 @mikechen。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

什么是 JVM

JVM 是 Java Virtual Machine（Java 虚拟机）的缩写，JVM 是一个虚构出来的计算机，有着自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈等。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

为什么需要 JVM？

Java 语言使用 Java 虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得 Java 语言编译程序只需生成在 Java 虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

Java 文件必须先通过一个叫 javac 的编译器，将代码编译成 class 文件，然后通过 JVM 把 class 文件解释成各个平台可以识别的机器码，最终实现跨平台运行代码。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

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JVM 内存模型

JVM 内存模型可以分为两个部分，如下图所示，堆和方法区是所有线程共有的，而虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器则是线程私有的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

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在 JVM1.8 中，图中的 方法区为元数据区，下面展开谈一谈这五个区域的作用。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

堆（Heap）

在 Java 中，堆被划分成两个不同的区域：新生代 (Young)、老年代 ( Old )，新生代 ( Young ) 又被划分为三个区域：Eden、From Survivor、To Survivor。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

下图中的 Perm 代表的是永久代，但是注意永久代并不属于堆内存中的一部分，同时 jdk1.8 之后永久代也将被移除。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

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堆是 java 虚拟机所管理的内存中最大的一块内存区域，也是被各个线程共享的内存区域，该内存区域存放了对象实例及数组（但不是所有的对象实例都在堆中）。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

其大小通过 - Xms (最小值) 和 - Xmx (最大值) 参数设置（最大最小值都要小于 1G），前者为启动时申请的最小内存，默认为操作系统物理内存的 1/64，后者为 JVM 可申请的最大内存，默认为物理内存的 1/4，默认当空余堆内存小于 40% 时，JVM 会增大堆内存到 - Xmx 指定的大小，可通过 - XX:MinHeapFreeRation = 来指定这个比列。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

当空余堆内存大于 70% 时，JVM 会减小堆内存的大小到 - Xms 指定的大小，可通过 XX:MaxHeapFreeRation = 来指定这个比列，当然为了避免在运行时频繁调整 Heap 的大小，通常 - Xms 与 - Xmx 的值设成一样。堆内存 = 新生代 + 老生代 + 持久代。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

在我们垃圾回收的时候，我们往往将堆内存分成新生代和老生代（大小比例 1：2），新生代中由 Eden 和 Survivor0，Survivor1 组成，三者的比例是 8：1：1，新生代的回收机制采用复制算法，在 Minor GC 的时候，我们都留一个存活区用来存放存活的对象，真正进行的区域是 Eden + 其中一个存活区，当我们的对象时长超过一定年龄时（默认 15，可以通过参数设置），将会把对象放入老生代，当然大的对象会直接进入老生代，老生代采用的回收算法是标记整理算法。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

方法区（Method Area）

其实方法区是在 JDK1.8 以前的版本里存在的一块内存区域，主要就是存放从 class 文件里加载进来的类的，而且常量池也是在这块区域内的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

但是在 JDK1.8 之后，这块区域摇身一变，换了名字，叫做 “Metaspace”，翻译过来就是 “元数据空间” 的意思，当然它只是改了个名，实现的功能是没变的。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

方法区（Method Area）与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

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1. 类型信息文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

对每个加载的类型（类 class、接口 interface、枚举 enum、注解 annotation),JVM 必须在方法区中存储以下类型信息:
①这个类型的完整有效名称（全名 = 包名。类名)
②这个类型直接父类的完整有效名 (对于 interface 或是 java.lang.0bject，都没有父类)
③这个类型的修饰符 (public, abstract,final 的某个子集)
④这个类型直接接口的一个有序列表文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

2. 域信息 (Field) 成员变量文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

JVM 必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序。
域的相关信息包括：域名称、域类型、域修饰符 (public, private,protected,static,final, volatile, transient 的某个子集)文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

3. 方法 (Method) 信息文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

JVM 必须保存所有方法的以下信息，同域信息一样包括声明顺序:文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

方法名称
方法的返回类型 (或 void)・方法参数的数量和类型 (按顺序)
方法的修饰符 (public, private,protected,static, final,synchronized,native,abstract 的一个子集)
方法的字节码 (bytecodes)、操作数栈、局部变量表及大小 (abstract 和 native 方法除外)

虚拟机栈 (JVM Stack)

虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫 Java 栈，每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的 Java 方法调用。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

虚拟机栈的作用：主管 Java 程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

每个方法被执行的时候都会创建一个” 栈帧”, 用于存储局部变量表 (包括参数)、操作栈、方法出口等信息。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

每个方法被调用到执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

栈帧（Stack Frame）是用于虚拟机执行时方法调用和方法执行时的数据结构，它是虚拟栈的基本元素，栈帧由局部变量区、操作数栈等组成，如下图所示：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

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每一个方法从调用到方法返回都对应着一个栈帧入栈出栈的过程。最顶部的栈帧称为当前栈帧，栈帧所关联的方法称为当前方法，定义这个方法的类称为当前类，该线程中，虚拟机有且也只会对当前栈帧进行操作。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

栈帧的作用有存储数据，部分过程结果，处理动态链接，方法返回值和异常分派。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

每一个栈帧包含的内容有局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些额外的附加信息。在编译代码时，栈帧需要多大的局部变量表，多深的操作数栈都可以完全确定的，并写入到方法表的 code 属性中。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

本地方法栈 (Native Stack)

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的 Native 方法服务。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

甚至有的虚拟机（譬如 Sun HotSpot 虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html

与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/bc/26922.html