基礎篇：JVM運行時內存佈局

1 JVM的內存區域佈局

• java代碼的執行步驟有三點

  • java源碼文件->編譯器->字節碼文件
  • 字節碼文件->JVM->機器碼
  • 機器碼->系統CPU執行
• JVM執行的字節碼須要用類加載來載入；字節碼文件能夠來自本地文件，能夠在網絡上獲取，也能夠實時生成。就是說你能夠跳過寫java代碼階段，直接生成字節碼交由JVM執行
• 其中Java虛擬機棧、程序計數器、Heap、本地方法棧、Metaspace屬於JVM運行時的內存；按是否線程共享則能夠分兩類

• JAVA堆和MetasSpace元空間屬於線程共享的；虛擬機棧和本地方法棧、程序計數器是線程私有的

2 JVM五大數據區域介紹

• 2.1 程序計數器（Progarm Counter Register)

  • 一塊較小的內存空間, 是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。線程有一個獨屬的程序計數器，字節碼解析工做時須要程序計數器來選取下一指令，分支、循環、跳轉等依賴它
  • 正在執行java方法線程的計數器記錄的是虛擬機字節碼指令的地址；若是仍是Native方法，則爲空
  • 程序計數器內存區域是惟一一個在虛擬機中沒有規定任何OutOfMemoryError錯誤的區域
• 2.2 虛擬機棧(Virtual Machine Stack)

• Java方法執行的內存模型：每一個方法在執行的同時都會建立一個棧幀(Stack Frame)用於存儲局部變量表、操做數棧、動態連接、方法出口等信息
• 每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
• 棧幀是用來存儲數據和部分過程結果的數據結構，同時也被用來處理動態連接(Dynamic Linking)、 方法返回值和異常分派(Dispatch Exception)。棧幀隨着方法調用而建立，隨着方法結束而銷燬(不管方法是正常完成仍是異常完成)
• 若是線程請求的棧深度大於虛擬機容許深度，則拋出StackOverflowError；擴展時沒法申請到足夠內存，則拋出OutOfMemeryError

• 2.3 本地方法棧(Native Method Stack)

  • 本地方法棧和虛擬機棧做用相似，區別是虛擬機棧爲執行Java方法服務，而本地方法棧則爲Native方法服務。(HopShot的實現 直接把本地方法棧和虛擬機棧合二爲一）
• 上述3類區域，生命週期與Thread相同，即：線程建立時，相應的內存區建立，線程銷燬時，釋放相應內存

• 2.4 堆(Heap)

  • 線程共享的一塊內存區域，幾乎全部的對象實例在這裏分配內存，也是垃圾收集器進行垃圾收集的最重要的內存區域。所以不少時候也叫GC堆
  • 線程私有的分配緩存區(Thread Local Alloaction Buffer)也是在堆劃分出來的
  • JDK8的版本，因使用元空間代替永久代，字符串常量池和類的靜態變量也放入java堆中

• 2.5 元空間(MetaSpace)

  • 主要存儲類的元數據，好比類的各類描述信息，類名、方法、字段、訪問限制等，既編譯器編譯後的代碼等數據
  • 運行時常量池：Class文件中除了有類的版本、字段、方法等描述等信息外；還有一項信息是常量池，用於存放編譯期生成的各類字面量和符號引用，這部分將在類加載後存放到元空間的運行時常量池中

• 使用元空間代替永久代緣由

  • 永久代的大小是在啓動時固定好的，很難進行調優；太大則容易致使永久代溢出；過小在運行時，容易拋出OutOfMemeryError
  • 字符串存在永久代中，使用時易出問題，因爲永久代內存常常不夠用，爆出異常OutOfMemoryError: PermGen

• CodeCache

  • JVM生成的native code存放的內存空間稱之爲Code Cache；JIT編譯、JNI等都會編譯代碼到native code，其中JIT生成的native code佔用了Code Cache的絕大部分空間

• 直接內存

  • 它並非虛擬機運行時數據區的通常分，也不在規範定義。JDK1.4，引入了Channel(通道)與Buffer(緩存區)的I/O方式，它可使用Native函數分配堆外內存，可經過DirectByteBuffer操做。

3 JVM運行時內存佈局和JMM內存模型區別

• JVM內存區域是指JVM運行時將內存數據分區域存儲，強調對內存空間的劃分
• JAVA內存模型是Java語言在多線程併發狀況下對於共享變量內存操做的規範：解決變量在多線程的可見性、原子性的問題

4 JMM內存模型交互操做

• 內存交互操做有八種，虛擬機的實現保證每個操做都是原子性的

  • lock(鎖定)：做用於主內存的變量，標識變量爲線程獨佔狀態
  • unlock(解鎖)：做用於主內存的變量，釋放一個處於鎖定狀態的變量，釋放後的變量才能夠被其餘線程鎖定
  • read(讀取)：做用於主內存變量，從主內存中讀取出後面load操做要用到的變量
  • load(載入)：做用於主內存中的變量，把剛纔read的值放入工做內存的副本中
  • use(使用)：做用於工做內存中的變量，當線程執行某個字節碼指令須要用到相應的變量時，把工做內存中的變量副本傳給執行引擎
  • assign(賦值)：做用於工做內存中的變量，把一個從執行引擎中接受到的值放入工做內存的變量副本中
  • store(存儲)：做用於工做內存中的變量，把工做內存中的變量送到主內存，給後續的write使用
  • write(寫入)：做用於主內存中的變量，把store的工做內存中的變量值，寫入主內存中
• read和load 好像是相同的操做？各位有何高見，請指教下

• JMM對這八種指令的使用，制定了以下規則

  • read和load、store和write必須順序執行，並且兩個指令綁定出現；就是說出現read就要有load
  • 不容許一個線程丟棄最近的assign操做，工做內存中的變量改變後，必須write同步到主內存
  • 不容許一個線程把沒有發生assign操做的變量同步到主內存
  • 新的變量必須誕生於主內存，不容許工做內存使用一個沒有初始化的變量；use、store操做變量以前，必須通過load和assign操做
  • 變量同一時刻只容許一個線程對其lock，該線程能夠對該變量加鎖屢次，釋放鎖須要執行相同次數的unlock，lock和unlock要成對出現
  • 一個變量沒有lock，不能unlock；而且一個線程不能unlock被其餘線程鎖住的變量
  • 執行unlock前，必須把工做內存中的變量同步到主內存中
  • 執行lock操做，須要清空工做內存（全部），而且須要使用該變量以前，要從新執行load和assign操做

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參考文章

• 深刻理解Java虛擬機
• JVM以內存佈局超詳細整理
• Metaspace 之一：Metaspace總體介紹