JAVA-JVM内存模型浅析

 2019-12-10 16:11  阅读(727)
文章分类:Java Core

最近刚刚保研结束,终于有时间可以静下心来学点东西了。之前同学找工作考了很多JVM内存模型相关的东西,突然想要理顺一下JVM内存模型相关的知识,把一些博客的资料整理一下,希望对大家有用,当然我自己也是才疏学浅,如果有什么不对的地方,希望大家能够指正。

在讨论JVM内存模型之前,当然要先说一下现在计算机CPU和内存的交互模型。

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大家都知道现在的计算机都是多处理器的,每个处理器都有一个自己的高速缓存,但是如果发生多处理器访问同一块内存区域时,可能会发生缓存不一致的问题,因为访问这块内存的时间不同(期间数据可能发生变化),可能导致数据不一致。那么这个情况怎么解决呢,高速缓访问主存的时候,就要遵守一些协议(Agreement),比如MSI、MESI、MOSI、Synapse、Firely、DragonProtocol等,来保证缓存的一致性。

现在来看JVM内存模型中的访问操作模型

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看到这可能有些人有点疑惑,和计算机CPU和内存的交互有什么关系呢。我个人理解的话,当你启动JVM的时候,JVM在我们的计算机操作系统中是一个进程。大家都知道,进程是资源调度的基本单位,这里的主存其实就相当于计算机内存为JVM这个进程分配的资源,这个进程的所占的内存当然是可以动态增加的。进程的资源可以被多个线程利用,线程才是计算机调度执行的基本单位,在JVM内存模型中,为每个线程单独分配了工作内存,如果需要从JVM这个进程中获取数据,则需要将数据从主存拷贝到工作内存。

简单来说,我认为计算机内存和JVM内存二者之间的关系如下图

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Java中通过多线程机制使得多个任务同时执行处理,所有的线程共享JVM内存,而每个线程又单独的有自己的工作内存,当线程与内存区域进行交互时,数据从主存拷贝到工作内存,进而交由线程处理(操作码+操作数)

今天重点说的肯定是上图的JVM主存和线程工作内存这一部分,虽然这一块看似很小(图中看起来哈),但是却是作为一个JAVA程序员最重要的,一定要了解的东西!

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看了许多博客,还是感觉上图是画的最清楚的 ,JVM内存中最重要的是程序计数器,虚拟机栈,本地方法栈,堆,方法区五大部分。从这张图中很直观的看到,程序计数器,虚拟机栈,native栈是线程私有的,堆,方法区是线程共有的,现在详细介绍JVM各个区块。

1.程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里(仅是概念模型,各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现),字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。对解释器还不怎么理解的请看这篇博客https://www.cnblogs.com/jingzheng/p/5291975.html

在这里我只贴一张图

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由于Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间的计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java 方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Natvie 方法,这个计数器值则为空(Undefined)。此内存区域是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError 情况的区域。

2.虚拟机栈

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描述的是java方法执行的内存模型: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。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声明周期与线程相同,是线程私有的。栈帧由三部分组成:局部变量区、操作数栈、帧数据区。局部变量区被组织为以一个字长为单位、从0开始计数的数组,和局部变量区一样,操作数栈也被组织成一个以字长为单位的数组。但和前者不同的是,它不是通过索引来访问的,而是通过入栈和出栈来访问的,可以看作为临时数据的存储区域。除了局部变量区和操作数栈外,java栈帧还需要一些数据来支持常量池解析、正常方法返回以及异常派发机制。这些数据都保存在java栈帧的帧数据区中。

局部变量表: 存放了编译器可知的各种基本数据类型、对象引用(引用指针,并非对象本身),其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量的空间,其余数据类型只占1个。局部变量表所需的内存空间编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量是完全确定的,在运行期间栈帧不会改变局部变量表的大小空间

3.本地方法栈

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。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。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。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError 和OutOfMemoryError异常。

以上三个就是线程私有的,已经介绍完毕。堆和方法区是线程共有的。

4.堆

堆要说的东西就太多了。

对于大多数应用来说,Java 堆(Java Heap)是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java 虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配①,但是随着JIT 编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟,栈上分配、标量替换②优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做“GC 堆”(GarbageCollected Heap,幸好国内没翻译成“垃圾堆”)。如果从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法,所以Java 堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等。如果从内存分配的角度看,线程共享的Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread LocalAllocation Buffer,TLAB)。不过,无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的都仍然是对象实例,进一步划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。在本章中,我们仅仅针对内存区域的作用进行讨论,Java 堆中的上述各个区域的分配和回收等细节将会是下一章的主题。

根据Java 虚拟机规范的规定,Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可,就像我们的磁盘空间一样。在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms 控制)。如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError 异常。

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;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。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。更详细的垃圾回收介绍在下一篇博客。

5.方法区

方法区也称”永久代“,它用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、是各个线程共享的内存区域。默认最小值为16MB,最大值为64MB(64位JVM由于指针膨胀,默认是85M),可以通过-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 参数限制方法区的大小。它是一片连续的堆空间,永久代的垃圾收集是和老年代(old generation)捆绑在一起的,因此无论谁满了,都会触发永久代和老年代的垃圾收集。不过,一个明显的问题是,当JVM加载的类信息容量超过了参数-XX:MaxPermSize设定的值时,应用将会报OOM的错误。参数是通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来设定的

运行时常量池(Runtime Constant Pool):是方法区的一部分,Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池,用于存放编译器生成的各种符号引用,这部分内容将在类加载后放到方法区的运行时常量池中。

从JDK7开始移除永久代(但并没有移除,还是存在),贮存在永久代的一部分数据已经转移到了Java Heap或者是Native Heap:符号引用(Symbols)转移到了native heap;字面量(interned strings)转移到了java heap;类的静态变量(class statics)转移到了java heap。从JDK8开始使用元空间(Metaspace),元空间的大小受本地内存限制,新参数(MaxMetaspaceSize)用于限制本地内存分配给类元数据的大小。如果没有指定这个参数,元空间会在运行时根据需要动态调整

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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的应该是与Java 堆区分开来。

对于习惯在HotSpot 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说,很多人愿意把方法区称为“永久代”(Permanent Generation),本质上两者并不等价,仅仅是因为HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机(如BEA JRockit、IBM J9 等)来说是不存在永久代的概念的。即使是HotSpot 虚拟机本身,根据官方发布的路线图信息,现在也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory 来实现方法区的规划了。Java 虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松,除了和Java 堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外,还可以选择不实现垃圾收集。相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载,一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻,但是这部分区域的回收确实是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中,曾出现过的若干个严重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。根据Java 虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError 异常。

运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外,还有一项信息是常量池(Constant PoolTable),用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。Java 虚拟机对Class 文件的每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格的规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求,这样才会被虚拟机认可、装载和执行。但对于运行时常量池,Java 虚拟机规范没有做任何细节的要求,不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过,一般来说,除了保存Class 文件中描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中①。运行时常量池相对于Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性,Java 语言并不要求常量一定只能在编译期产生,也就是并非预置入Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用得比较多的便是String 类的intern() 方法。既然运行时常量池是方法区的一部分,自然会受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError 异常。

总结

那接下来我们总结一下,每个区域都是放什么东西的。

堆区:
1.存储的全部是对象,每个对象都包含一个与之对应的class的信息。(class的目的是得到操作指令)
2.jvm只有一个堆区(heap)被所有线程共享,堆中不存放基本类型和对象引用,只存放对象本身

3.类的成员变量都存在堆里(不管是不是基本类型)。

class对象是放在堆中的,不是方法区。类的元数据(元数据并不是类的Class对象!Class对象是加载的最终产品,类的方法代码,修饰符,类型的完整有效名,变量名,方法名,访问权限,返回值等等都是在方法区的)才是存在方法区的!
栈区:
1.每个线程包含一个栈区,栈中只保存基础数据类型的对象和自定义对象的引用(不是对象),对象都存放在堆区中
2.每个栈中的数据(原始类型和对象引用)都是私有的,其他栈不能访问。
3.栈分为3个部分:基本类型变量区、执行环境上下文、操作指令区(存放操作指令)。

Object obj = new Object();如果这句话在方法体中,obj作为一个引用存在虚拟机栈的本地变量表中。前面还说过,本地变量表还存储了八大原始类型和返回地址。
方法区:
1.又叫静态区,跟堆一样,被所有的线程共享。方法区包含所有的class和static变量。
2.方法区中包含的都是在整个程序中永远唯一的元素,如class,static变量。

3.方法(包括静态方法)存放在方法区,存放代码片段,且只存放一次。

JDK8之后静态成员变量迁移到了堆中

类型信息都存储在方法区: 1.类型的完整有效名 2.这个类型直接父类的完整有效名(除非这个类型是interface或是 java.lang.Object,两种情况下都没有父类) 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。

类型名称在java类文件和jvm中都以完整有效名出现。在java源代码中,完整有效名由类的所属包名称加一个”.”,再加上类名
组成。例如,类Object的所属包为java.lang,那它的完整名称为java.lang.Object,但在类文件里,所有的”.”都被
斜杠“/”代替,就成为java/lang/Object。完整有效名在方法区中的表示根据不同的实现而不同。

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基本数据类型是放在栈中还是放在堆中,这取决于基本类型在何处声明,下面对数据类型在内存中的存储问题来解释一下:

一:在方法中声明的变量,即该变量是局部变量,每当程序调用方法时,系统都会为该方法建立一个方法栈,其所在方法中声明的变量就放在方法栈中,当方法结束系统会释放方法栈,其对应在该方法中声明的变量随着栈的销毁而结束,这就局部变量只能在方法中有效的原因

在方法中声明的变量可以是基本类型的变量,也可以是引用类型的变量。

(1)当声明是基本类型的变量的时,其变量名及值(变量名及值是两个概念)是放在JAVA虚拟机栈中

(2)当声明的是引用变量时,所声明的变量(该变量实际上是在方法中存储的是内存地址值)是放在JAVA虚拟机的栈中,该变量所指向的对象是放在堆类存中的。

二:在类中声明的变量是成员变量,也叫全局变量,放在堆中的(因为全局变量不会随着某个方法执行结束而销毁)。

同样在类中声明的变量即可是基本类型的变量 也可是引用类型的变量

(1)当声明的是基本类型的变量其变量名及其值放在堆内存中的

(2)引用类型时,其声明的变量仍然会存储一个内存地址值,该内存地址值指向所引用的对象。引用变量名和对应的对象仍然存储在相应的堆中

下面用一张图来表示常量池里存储的内容:

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