jvm系列（1）內存結構

在一開始學習java的時候，那時候是在網上看視頻，老師就常常提到什麼對象分配在堆區，什麼在棧區，那時候和理解，後來理解了就想着寫一篇文章好好的去梳理一下。

這個內存結構是基於java8的內存結構，最文章末尾也會和java7的內存結構進行一個比較，看看哪些地方進行了改變，這些改變對性能的影響是什麼。

還有一點這個是基於Hotspot虛擬機來講的。

先給一張java8的內存結構圖吧（我用Windows裏面的畫圖工具畫的）

首先對這個圖有一個認識，從上面能夠看到java8的內存結構大體分了五個部分：PC寄存器，java虛擬機棧、本地方法棧、java堆、方法區。其中PC寄存器、java虛擬機棧和本地方法棧是全部線程共享的一塊內存區域。java堆和方法區是每個線程獨享的一塊區域，還有一個運行時常量池。

接下來看一看每一塊區域裏面存放的什麼？

1、PC寄存器

在大學的時候學過計算機組成原理的時候都知道，內存裏面有不少寄存器，大概幾百個吧（目前），每一種寄存器的用途都不同，其中有一個寄存器就是程序計數器。這個寄存器的主要做用就是存放下一條須要執行的指令。這是由於在一個時刻，一個處理器只能執行一條線程中的指令。就比如說咱們的程序代碼假如是一行一行執行的，程序計數器永遠指向下一行須要執行的字節碼指令。在循環結構中，咱們就能夠改變程序計數器中的值，來改變下一條須要執行的指令。而且每個線程都有一個程序計數器。若是當前執行的是 Java 的方法，則該寄存器中保存當前執行指令的地址；假若執行的是native 方法，則PC寄存器中爲空（Undefined）。PC寄存區區域就是存放了N多個這樣的寄存區。此內存區域是惟一一個在Java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError狀況的區域。所以能夠把他的幾個特色概括以下。

1. 程序計數器指定下一條須要執行的指令

2. 每個線程獨享一個程序寄存器

3. 執行java代碼時，寄存器保存當前指令地址

4. 執行native方法時候，寄存器爲空。

5. 不會形成OutOfMemoryError狀況

2、Java虛擬機棧

虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型，每一個方法從調用直至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。它的生命週期與線程相同。每一個線程有一個私有的棧，隨着線程的建立而建立。棧裏面存着的是一種叫「棧幀」的東西，每一個方法會建立一個棧幀，棧幀中存放了局部變量表（基本數據類型和對象引用）、操做數棧、方法出口等信息。

局部變量表裏存放了編譯期間可知的各類基本數據類型（8種）、對象引用、returnAddress類型（指向一條字節碼指令的地址）。64位長度的long和double類型佔用2個局部變量空間（Slot），其他數據類型只佔用一個。局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法須要在幀中分配多大的局部變量空間是徹底肯定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

棧的大小能夠固定也能夠動態擴展。當棧調用深度大於JVM所容許的範圍，會拋出StackOverflowError的錯誤。若是擴展時沒法申請到足夠的內存，會拋出OutOfMemoryError異常。

來一張看一下比較直觀吧。

3、本地方法棧（Native Method Stack）

與虛擬機棧相似，區別是虛擬機棧執行java方法，本地方法站執行native方法。在虛擬機規範中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方法與數據結構沒有強制規定，所以虛擬機能夠自由實現它。本地方法棧能夠拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。不過這塊區域咱們不怎麼去關心。

4、Java堆

Java堆是被全部線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啓動時建立，用來存放對象實例。是內存中最大的一塊區域。垃圾收集器（GC）在該區域回收不使用的對象的內存空間。可是並非全部的對象都在這保存，深刻理解java虛擬機中說道，隨着JIT編譯器的發展和逃逸分析技術逐漸成熟，棧上分配、標量調換優化技術將會致使一些微妙的變化，全部的對象都分配在堆上也逐漸變得不那麼絕對了。

堆的大小能夠固定也能夠動態擴展，可經過-Xms（最小值）和-Xmx（最大值）參數設置，若是在堆中沒有內存完成實例分配，且堆也沒法在擴展時，會拋出OutOfMemoryError異常。

5、方法區

方法區也是全部線程共享。主要用於存儲類的信息、常量池、靜態變量、及時編譯器編譯後的代碼等數據。方法區邏輯上屬於堆的一部分。一般又叫「Non-Heap（非堆）」。

一個例子理解所有

爲了理解的比較深入，先給一個例子。經過例子講解印象更加深入吧，假設咱們在idea或者是任何IDE環境中定義了一個類。

有一個person類

public class Person{
int age;
String name;
Baby baby;
public void walk() {
System.out.println("我正在走路。。。。");
}
}

還有個Baby類

public class Baby{
   String babyname;
   int babyAge;
   public void cry(){
       System.out.println("我是孩子，我會哭");
  }
}

最後是一個測試類Test

public class Test {
public static void main(String[] args) {
Person person = new Person();
person.name = "馮鼕鼕的IT技術棧";
person.age = 18;
person.walk();

Baby baby= new Baby();
baby.babyname = "馮XX";
System.out.println(baby.babyname);

person.baby = baby;
System.out.println(pserson.baby.cry);
}
}

好了有了上面的環境，接下來就開始分析這些代碼在運行時內存的變化。如今在咱們的IDE開始運行。

1. 第一步，JVM去方法區尋找Test類的代碼信息，若是有直接調用，沒有的話使用類的加載機制把類加載進來。同時把靜態變量、靜態方法、常量加載進來。這裏加載的是（「馮鼕鼕的IT技術棧」，「馮XX」）；這是由於字符串是常量，age中的18是基本類型。

2. 第二步，jvm進入main方法，看到Person person=new Person()。首先分析Person這個類，一樣的尋找Person類的代碼信息，有就加載，沒有的話類加載機制加載進來。同時也加載靜態變量、靜態方法、常量（「我正在走路。。。」）

3. 第三步，jvm接下來看到了person，person在main方法內部，於是是局部變量，存放在棧空間中。

4. 第四步，jvm接下來看到了new Person()。new出的對象（實例），存放在堆空間中。

5. 第五步，jvm接下來看到了「=」，把new Person的地址告訴person變量，person經過四字節的地址（十六進制），引用該實例。 是否是有點暈，彆着急，畫個圖看一下。

6. 第六步，jvm看到person.name = "馮鼕鼕的IT技術棧";person經過引用new Person實例的name屬性，該name屬性經過地址指向常量池的"馮鼕鼕的IT技術棧"。

7. 第七步，jvm看到person.age = 18; person的age屬性是基本數據類型，直接賦值。

8. 第八步，jvm看到person.walk(); 調用實例的方法時，並不會在實例對象中生成一個新的方法，而是經過地址指向方法區中類信息的方法。走到這一步再看看圖怎麼變化的。

9. 第九步，jvm看到Baby baby=new Baby().這個過程和Person person = new Person()同樣

10. 第十步，jvm看到baby.babyname = "馮XX";這個過程也和person.name = "馮鼕鼕的IT技術棧";同樣。

11. 第十一步，jvm看到person.baby = baby;把baby對象引用賦值給Person實例的baby屬性屬性。

好了，到了這一步，應該對jvm的內存結構有一個詳細的認識了。這就結束了，固然還沒，我說過這是對java8的內存結構的分析，因此還要解釋一下兩個名詞：永久代(PermGen)和元空間(Metaspace)。

首先是永久代：

咱們常見的 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space "這個異常。這裏的 「PermGen space」其實指的就是方法區。不過方法區和「PermGen space」又有着本質的區別。前者是 JVM 的規範，然後者則是 JVM 規範的一種實現，而且只有 HotSpot 纔有 「PermGen space」。因爲方法區主要存儲類的相關信息，因此對於動態生成類的狀況比較容易出現永久代的內存溢出。

而後是元空間

元空間的本質和永久代相似，都是對JVM規範中方法區的實現。不過元空間與永久代之間最大的區別在於：元空間並不在虛擬機中，而是使用本地內存。所以，默認狀況下，元空間的大小僅受本地內存限制，但能夠經過如下參數來指定元空間的大小：

-XX:MetaspaceSize，初始空間大小，達到該值就會觸發垃圾收集進行類型卸載，同時GC會對該值進行調整：若是釋放了大量的空間，就適當下降該值；若是釋放了不多的空間，那麼在不超過MaxMetaspaceSize時，適當提升該值。

-XX:MaxMetaspaceSize，最大空間，默認是沒有限制的。

除了上面兩個指定大小的選項之外，還有兩個與 GC 相關的屬性：

-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC以後，最小的Metaspace剩餘空間容量的百分比，減小爲分配空間所致使的垃圾收集

能夠這樣說在Java8中對永久代進行了徹底刪除。