深入理解java虚拟机学习笔记（一）JVM内存模型

上周末搬家后，家里的宽带一直没弄好，跟电信客服反映了N遍了终于约了个师傅明天早上来迁移宽带，可以结束一个多星期没网的痛苦日子了。这段时间也是各种忙，都一个星期没更新博客了，再不写之前那种状态和激情都要慢慢褪去了，总觉得心里慌的一逼，这怎么行呢？！趁明天周末，在公司电脑上记录下这周的一些学习内容。近期在看一本很经典的java书籍：《深入理解java虚拟机 第二版》，几年前也翻过，但那时候功力不够，不太能看懂就没看了。现在回过头来看，发现确实写的很好，很多知识点都能理解了，而且讲的也很有深度，收获颇多。后期计划按照这本书的内容写出一系列博客，来深入学习和复习下java虚拟机相关的知识。

     一、JVM内存模型概述

              JVM内存模型其实也挺简单的，这里先提2个知识点：

1、组成：java堆，java栈（即虚拟机栈），本地方法栈，方法区和程序计数器。

2、是否共享：其中方法区和堆区是线程共享的，虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器是线程私有的，也称线程隔离的，每个区域存储不同的内容。这2个知识点必须牢记，是掌握JVM内存模型的基础。

                           

      二、程序计数器

JVM中的程序计数器是一块很小的内存区域，但是这块内存区域挺有意思的。主要特性有3个：

1、存储内容：对于java普通方法（即没用native关键字修饰的方法），存储的是执行过程中当前指令的地址，而对于native方法，这里是空的（undefined），为啥呢？因为调用本地方法的时候可能已经超出了JVM虚拟机的内存地址了。

2、线程私有的：为什么程序计数器是线程私有的？根据存储内容也好理解，假如是线程共享的，那多个线程执行的时候，都不知道自己当前线程执行的地址是哪个了，有的线程快，有的线程慢，快的执行完就进入下一步，等慢的线程执行完回来发现自己的地址都变了，岂不乱套？

3、是JVM中唯一不会报内存溢出（OutOfMemoryError）的区域。

      三、虚拟机栈

              虚拟机栈主要存储的是一个个栈帧，每个栈帧中存储的是局部变量表，操作数栈，动态链接和方法出口信息等。其中局部变量表中存储的是方法中定义的一些局部变量，对象的引用，参数，和方法的返回地址等。局部变量表所占用的空间大小在编译期就能确定，在方法运行的时候，并不会改变局部变量表的空间大小，这结合局部变量表存储的内容就很好理解。操作数栈可以理解为对当前操作的数据入出栈，对于64位长度的long和double类型，每个操作数占用2个字宽（slot），其他类型的操作数占用一个字宽（slot）。每个方法调用时都会创建一个栈帧，执行的过程对应的就是一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。有关栈帧的内容可以参考一个网友写的一篇博客：https://blog.csdn.net/xtayfjpk/article/details/41924283，讲的很好很详细。这里放个栈帧的图，看了一目了然。

关于虚拟机栈内存溢出有2种情况：

1、线程请求的栈深度 超过了虚拟机允许的深度，会抛出StackOverflowError，所以当我们在代码中看到这个异常时，就应该想到可能是虚拟机栈出了问题。

2、如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分JVM都可以动态扩展，不过JVM也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时，会抛出OutOfMemoryError异常。

      四、本地方法栈

           这块知识点比较简单，本地方法栈和虚拟机栈的功能类似，只不过是为JVM调用native方法时服务的，而且JVM对本地方法使用的语言（比如Java调用C语言实现的功能，就需要定义native方法来实现）、使用方式和数据结构都没有强制规定，因此不同的虚拟机可以自由实现。而且HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈类似，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

      五、方法区

方法区是一个比较重要的区域，java虚拟机规范中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是为了和Heap（堆区）对应，也称Non-Heap（非堆区）。主要存储的是静态变量，常量（包括运行时常量），类的加载信息和java编译后的代码。这部分空间不需要连续，可以选择固定大小和可扩展，通常在这部分是没有GC的，因为GC回收的都是些静态变量，常量和类的加载信息，这些对象回收效果通常不尽人意，因此可以选择不实现垃圾回收。这块区域也称为持久代，当这块内存不足时，也会报OutOfMemoryError异常。

      六、堆区

         Java堆区是JVM内存中最胖的一块区域，因为这里存储的都是对象的实例和数组对象。这块区域是线程共享的，在JVM启动时就会创建，想想如果这么大的空间是线程私有的，那内存不得爆掉吗？按照java虚拟机规范，堆区的内容可以物理上不连续，只要逻辑上连续即可，在实现时可以是固定大小的，也可以是可扩展的，而且通常都是可扩展的，我们常用的内存参数-Xms和-Xmx就是用来调节堆大小的。java堆区按生命周期不同，分为新生代和老年代。新生代又可以细分为Eden和Survivor区，而Survivor又可以细分为Survivor1和Survivor2，这两者通常只使用其中一块，另一块用来GC时保留存活的对象。大部分的new出来的对象都是存放在Eden区，如果是大对象，比如一个很大的数组或者List对象，可以通过JVM参数-XX:PretenureSizeThreshold将超过指定大小的对象直接存入到老年代，需要注意的是，写程序时应该尽量避免朝生夕死的大对象进入老年代，因为相比年轻代的GC，老年代GC的成本更大。Eden和Survivor的默认大小比值的8:1:1，新生代默认的GC算法是复制算法。老年代的默认GC算法是标记整理法。关于这2种GC算法，会在下篇博客讲解。

当堆中没有足够内存时，会抛出OutOfMemoryError异常。关于堆区的内存模型，可以参考下面的图片：