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JVM 内存结构？

article 2024/9/20 10:34:58

JVM 内存结构

这里的JVM内存结构，是指Runtime Data Areas(运行时数据区)。包含：

方法区（Method Area）
虚拟机栈（VM Stack）
本地方法栈（Native Method）
堆（Heap）
程序计数器（Program Counter Register）

各部分是否私有

通过上图可以知道：

线程私有的部分：程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈；
线程间共享的部分：堆、方法区；

程序计数器

注意：这里的 程序计数寄存器 与 物理中的****CPU的寄存器 是不一样的。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。它是线程私有的。

工作细节：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，程序控制流，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。

虚拟机栈

虚拟机栈（Java Stack），也叫Java栈,就是我们平常说的栈。线程私有的。

除了Native 方法（它通过本地方法栈实现），其他的 Java 方法调用都是通过栈来实现的（也需要和其他运行时数据区域比如程序计数器配合）。

每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。

局部变量表：存放局部变量的，以**局部变量槽（Slot）**来表示。局部变量表的大小是确定的，在编译期间完成分配的。
操作数栈：主要作为方法调用的中转站使用，用于存放方法执行过程中产生的中间计算结果。另外，计算过程中产生的临时变量也会放在操作数栈中。
动态连接：用于一个方法需要调用其他方法的场景。ava 源文件被编译成字节码文件时，变量、方法的引用都是符号引用（保存在Class 文件的常量池里）。动态链接就是在方法调用其他方法时，将符号引用转换为直接引用的。

问：垃圾回收是否涉及栈内存？

答：不会，因为栈的运行结束后会按从顶至底的顺序移除栈对应的线程的方法，所以不需要垃圾回收机制来处理长久不用的垃圾。

问：栈内存分配越大越好吗？

答：不是的，我们的物理内存是有限的，如果栈内存分配过大，会导致我们能运行的线程数变少。

可以通过-Xss size(分配的大小)来指定栈内存的大小。

问：方法内的局部变量是线程安全的吗？

分析：如果它是线程私有的，那肯定是线程安全的。否则就是线程县城不安全的。

答：分情况：

如果这个方法中的局部变量不是static修饰。那就是线程安全的。
①如果这个方法中的局部变量是static修饰。那就是线程不安全的。②如果传入的参数是一个可变对象，并且这个对象在多个线程中被共享和修改，那就可能出现线程安全问题。

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，其区别只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本地（Native）方法服务。

一些带有native关键字的方法就是需要JAVA去调用本地的C或者C++方法。

堆

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，Java 世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

但也不绝对，从 JDK 1.7 开始已经默认开启逃逸分析，如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用（也就是未逃逸出去），那么对象可以直接在栈上分配内存。

Java 堆区域可细分为：

在这里插入图片描述

JDK7 及之前分为：新生代内存(Young Generation)、老生代(Old Generation)、永久代(Permanent Generation)；
JDK8 及之后：新生代内存(Young Generation)、老生代(Old Generation)；Metaspace(元空间) （元空间：使用的是本地内存，它只是替代了永久代的作用，但**它不属于堆内存，而是存放于本地内存**）

1、新生代内存(Young Generation)：

作用：用于存放新创建的对象。大部分对象通常具有短暂的生命周期，因此在新生代中频繁进行垃圾回收，可以高效地回收大量短生命周期的对象，减少内存占用。
GC回收：新对象会先被分配到Eden区。当Eden区满了之后触发Minor GC（新生代垃圾回收）。在回收过程中，存活下来的对象会被移到其中一个Survivor区；当Survivor区也满了，对象会进一步晋升到老年代。
组成：由年轻区（Eden区）、两个Survivor区（from survivor和to survivor）。默认情况下，新生代的Eden区和Survivor区的空间大小比例是8:2，可以通过-XX:SurvivorRatio参数调整。

在这里插入图片描述

2、老年代：存放经过多次垃圾回收仍然存活的对象，或者是大对象（某些JVM可以直接在老年代分配大对象）。老年代中的对象被认为是长时间存活的，因此回收的频率较低。

大对象：通常指的是需要占用较多连续内存空间的Java对象实例

3、永久代、元空间：（二者作用一样，只是元空间替代永久代）

作用：它是具体实现的方法区：用来存放类的元数据信息，包括类的结构信息、常量池、静态变量、即时编译后的代码等。

为什么要将永久代 (PermGen) 替换为元空间 (MetaSpace) 呢?

主要考虑的是，永久代使用的是JVM内存，因此，当存放的数据太多时，很容易导致永久代内存溢出（PermGen OutOfMemoryError）。

而元空间使用本地内存而不是 JVM 堆内存，理论上只受限于操作系统的内存大小。这大大减少了因为类信息、常量等存储导致内存溢出的风险。

方法区

方法区（Method Area）是线程共享的。它是Java 虚拟机规范的一个逻辑部分，别名 非堆（Non-Heap），目的是与 Java的堆（Heap）区分开。在不同的虚拟机实现上，方法区的实现是不同的。

方法区主要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、运行时常量池。虚拟机启动时就会创建方法区。

JDK中方法区的不同实现

以HotSpot虚拟机来讲，在JDK不同版本汇总，主要关注字符串常量池位置变迁：

Jdk1.6及之前：有永久代，运行时常量池在永久代，运行时常量池包含字符串常量池；
Jdk1.7：有永久代，但已经逐步“去永久代”，字符串常量池从永久代里的运行时常量池分离到堆里；
Jdk1.8及之后：无永久代，运行时常量池在元空间，字符串常量池里依然在堆里。

问：为什么要将字符串常量池移动到堆中？

答：主要是因为永久代（方法区实现）的 GC 回收效率太低，只有在整堆收集 (Full GC)的时候才会被执行 GC。Java 程序中通常会有大量的被创建的字符串等待回收，将字符串常量池放到堆中，能够更高效及时地回收字符串内存。

String 类的 `intern()`方法

参考：https://tech.meituan.com/2014/03/06/in-depth-understanding-string-intern.html

调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到字符串常量池中：

如果字符串常量池中没有该字符串对象，会将该字符串对象复制一份，再放入到字符串常量池中；
如果有该字符串对象，则放入失败；

知道了intern()方法的作用，下面来看看String中创建字符串时的区别（以下面的代码示例）：

要知道：

直接使用双引号声明出来的String对象会直接存储在字符串常量池中。如：String a = "jack";
使用new创建的String对象，则会在字符串常量池中创建字符串，并在堆中创建String对象。

public static void main(String[] args) {
    String s = new String("1");
    s.intern();
    String s2 = "1";
    System.out.println(s == s2);

    String s3 = new String("1") + new String("1");
    s3.intern();
    String s4 = "11";
    System.out.println(s3 == s4);
}

JDK1.6 中输出 false、false

在这里插入图片描述

因为，JDK1.6中，字符串常量池 位于堆的永久代区域（我们知道 JVM 堆中的永久代是是具体实现的方法区），而上图中的堆（Heap）是特指新生代、老年代。所以：

String s = new String("1");：会在字符串常量池中创建字符串"1”，然后在JAVA 堆中创建String对象obj（存储的是字符串常量池“1”的引用），然后栈中的s指向Java heap中的 obj。
String s2 = "1";是栈中的s2直接去字符串常量池中查找是否有“1”，有则直接指向。无则在字符串常量池中创建，然后再指向。