【Java】JMM內存模型和JVM內存結構

時間 2019-12-11

標籤 Java jmm 內存模型 jvm 結構欄目 Java 简体版

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JMM內存模型和JVM內存結構

JAVA內存模型(Java Memory Model)

Java內存模型，通常指的是JDK 5 開始使用的新的內存模型，主要由JSR-133: JavaTM Memory Model and Thread Specification 描述。html

JMM就是一種符合內存模型規範的，屏蔽了各類硬件和操做系統的訪問差別的，保證了Java程序在各類平臺下對內存的訪問都能保證效果一致的機制及規範。java

內存模型能夠理解爲在特定的操做協議下，對特定的內存或者高速緩存進行讀寫訪問的過程抽象，不一樣架構下的物理機擁有不同的內存模型，Java虛擬機也有本身的內存模型，即Java內存模型（Java Memory Model, JMM）。在C/C++語言中直接使用物理硬件和操做系統內存模型，致使不一樣平臺下併發訪問出錯。而JMM的出現，可以屏蔽掉各類硬件和操做系統的內存訪問差別，實現平臺一致性，是的Java程序可以「一次編寫，處處運行」。android

JMM主要解決的問題：解決因爲多線程經過共享內存進行通訊時，存在的本地內存數據不一致、編譯器會對代碼指令重排序、處理器會對代碼亂序執行等帶來的問題算法

緩存一致性問題其實就是可見性問題。
處理器優化是能夠致使原子性問題
指令重排即會致使有序性問題

內存模型解決併發問題主要採用兩種方式：限制處理器優化和使用內存屏障數組

參考:緩存

JVM內存結構

傳送門：JAVA 虛擬機規範bash

HotSpot 白皮書： Memory Management in the Java HotSpot Virtual Machine 它描述了垃圾回收(GC)觸發的內存自動管理數據結構

其實 Java 虛擬機的內存結構並非官方的說法，在《Java 虛擬機規範》中用的是「運行時數據區(Run-Time Data Areas)」這個術語多線程

下圖能很清晰的說明JVM內存結構佈局：架構

JVM內存結構主要有三大塊：

堆內存(Heap)
方法區/永久代(Method Area/PermGen) 或者別名Non-Heap(非堆)
棧(Thraed...)

在《深刻理解Java虛擬機（第二版）》中的描述是下面這個樣子的：

按照《JAVA 虛擬機規範》的中所述，能夠分爲公有和私有兩部分

公有部分: 堆[Heap]、方法區[Method Area]、常量池[Constant Pool]
私有部分： PC寄存器、VM虛擬機棧、本地方法棧

各個區域的內存大小

經過一張圖瞭解如何經過參數來控制各個區域的內存大小

參數說明：

-Xms:設置堆的最小空間大小。

-Xmx:設置堆的最大空間大小。

-XX:NewSize設置新生代最小空間大小。

-XX:MaxNewSize設置新生代最大空間大小。

-XX:PermSize設置永久代最小空間大小。

-XX:MaxPermSize設置永久代最大空間大小。

-Xss:設置每一個線程的堆棧大小。

沒有直接設置老年代的參數，可是能夠設置堆空間大小和新生代空間大小兩個參數來間接控制。

老年代空間大小=堆空間大小-年輕代大空間大小

JAVA堆(Heap)

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.

這塊區域專門用於 Java 實例對象和數組的內存分配，幾乎全部實例對象都在會這裏進行內存的分配

之因此說幾乎是由於有特殊狀況，有些時候小對象會直接在棧上進行分配，這種現象咱們稱之爲「棧上分配」

Java堆的內存劃分

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，所以不少時候也被稱作「GC堆」。

若是從內存回收的角度看，因爲如今收集器基本都是採用的分代收集算法，因此Java堆中還能夠細分

主要被劃分爲：新生代「Young Generation」和老年代「Old Generation」

新生代「Young Generation」又可分爲：Eden、From Survivor 0、To Survivor 1

根據《JAVA 虛擬機規範》的規定，Java堆能夠處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的便可，就像咱們的磁盤空間同樣。在實現時，既能夠實現成固定大小的，也能夠是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（經過-Xmx和-Xms控制）。

堆能夠具備固定大小，或者能夠根據計算的須要進行擴展，而且若是不須要更大的堆，則能夠收縮。

若是在堆中沒有內存完成實例分配，而且堆也沒法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

不一樣區域的生命週期

新建(New)或者短時間對象會存放在Eden區域
倖存或者中期的對象會從Eden拷貝到Survivor區域
始終存在的或者長期存在的對象將會從Survivor拷貝到Old Generation

當有對象須要分配時，一個對象永遠優先被分配在年輕代的 Eden 區，等到 Eden 區域內存不夠時，Java 虛擬機會啓動垃圾回收。此時 Eden 區中沒有被引用的對象的內存就會被回收，而一些存活時間較長的對象則會進入到老年代。

在 JVM 中有一個名爲 -XX:MaxTenuringThreshold 的參數(默認爲7)專門用來設置晉升到老年代所須要經歷的 GC 次數，即在年輕代的對象通過了指定次數的 GC 後，將在下次 GC 時進入老年代

爲何 Java 堆要進行這樣一個區域劃分呢

虛擬機中的對象必然有存活時間長的對象，也有存活時間短的對象，這是一個廣泛存在的正態分佈規律。若是咱們將其混在一塊兒，那麼由於存活時間短的對象有不少，那麼勢必致使較爲頻繁的垃圾回收。而垃圾回收時不得不對全部內存都進行掃描，但其實有一部分對象，它們存活時間很長，對他們進行掃描徹底是浪費時間。所以爲了提升垃圾回收效率，分區就理所固然了

虛擬機Heap Space的默認配置爲： Eden：from ：to = 8:1:1

其實這是 IBM 公司根據大量統計得出的結果。根據 IBM 公司對對象存活時間的統計，他們發現 80% 的對象存活時間都很短。因而他們將 Eden 區設置爲年輕代的 80%，這樣能夠減小內存空間的浪費，提升內存空間利用率

方法區(Method Area)

方法區（Method Area）與Java堆同樣，是各個線程共享的內存區域,在虛擬機啓動時建立。

它用於存儲已被虛擬機加載的類結構，如：運行時常量池、靜態變量、字段、和方法數據，即時編譯器編譯後的代碼等數據，以及方法和構造函數的代碼

Java虛擬機規範對這個區域的限制很是寬鬆，除了和Java堆同樣不須要連續的內存和能夠選擇固定大小或者可擴展外，還能夠選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行爲在這個區域是比較少出現的，但並不是數據進入了方法區就如永久代的名字同樣「永久」存在了。這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，通常來講這個區域的回收「成績」比較難以使人滿意，尤爲是類型的卸載，條件至關苛刻，可是這部分區域的回收確實是有必要的。

根據《Java虛擬機規範的規定》，當方法區沒法知足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

方法區在不一樣版本的虛擬機有不一樣的表現形式

例如在 1.7 版本的 HotSpot 虛擬機中，方法區被稱爲永久代（Permanent Space），而在 JDK 1.8 中則被稱之爲 MetaSpace

拓展點

能夠看到常量池實際上是存放在方法區中的，但《Java 虛擬機規範》將常量池和方法區放在同一個等級上

雖然《Java虛擬機規範》把方法區描述爲堆的一個邏輯部分，可是它卻有一個別名叫作Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。

對於習慣在HotSpot虛擬機上開發和部署程序的開發者來講，不少人願意把方法區稱爲「永久代」（Permanent Generation），本質上二者並不等價，僅僅是由於HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。

程序計數器(Program Counter Register)

每一個Java虛擬機線程都有本身私有獨立的 pc（程序計數器）寄存器。

它的做用能夠看作是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。

在任什麼時候候，每一個Java虛擬機線程都在執行單個方法的代碼，即該線程的當前方法。若是不是該方法 native，則pc寄存器包含當前正在執行的Java虛擬機指令的地址。若是線程當前正在執行native方法，則Java虛擬機pc 寄存器的值爲undefined。

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

JVM棧(Java Virtual Machine Stacks)

與程序計數器同樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stack）也是線程私有的，它的生命週期與線程相同，與線程同時建立。

JVM Stack存儲幀(Stack Frame) [A Java Virtual Machine stack stores frames]

JVM Stack相似於傳統語言的Stack，例如C語言：它保存局部變量和部分結果，並在方法調用和返回中起做用。因爲除了推送和彈出幀(Frames)以外，永遠不會直接操做Java虛擬機堆棧（Java Virtual Machine Stack），所以幀(Frames)能夠是堆(heap)分配的。Java虛擬機堆棧的內存不須要是連續的。

虛擬機棧(JVM Stacks)描述的是Java方法執行的內存模型：每一個方法被執行的時候都會同時建立一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操做數棧、動態連接、方法出口以及一些過程結果等信息。每個方法被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從入棧到出棧的過程。

局部變量表存放了編譯期可知的各類基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等同於對象自己，根據不一樣的虛擬機實現，它多是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個表明對象的句柄或者其餘與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址）。

其中64位長度的long和double類型的數據會佔用2個局部變量空間（Slot），其他的數據類型只佔用1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。

在Java虛擬機規範中，對這個區域規定了兩種異常情況：若是線程請求的棧深度大於虛擬機所容許的深度，將拋出StackOverflowError異常；若是虛擬機棧能夠動態擴展（當前大部分的Java虛擬機均可動態擴展，只不過Java虛擬機規範中也容許固定長度的虛擬機棧），當擴展時沒法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError異常。

本地方法棧（Native Method Stacks）

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發揮的做用是很是類似的，其區別不過是虛擬機棧爲虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是爲虛擬機使用到的Native方法服務。虛擬機規範中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數據結構並無強制規定，所以具體的虛擬機能夠自由實現它。甚至有的虛擬機（譬如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二爲一。與虛擬機棧同樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。