JVM知识梳理之一_JVM运行时内存区域与Java内存模型

本文就JVM运行时内存区域和Java内存模型进行一些简单的梳理。

一、JVM运行时内存区域

Java虚拟机在执行Java程序时，会将分配给JVM的内存划分为几个不同的区域。有些区域在JVM启动之后就存在，直到关闭JVM进程；有些区域则依赖于用户线程，随着用户线程的生命周期一同创建和销毁。

按照《Java虚拟机规范》的对应对JVM运行时内存区域的划分，以及Java8前后HotSpot虚拟机对该规范的具体实现，可以参考下图：

接下来我们对每个区域略作介绍。

1.1 程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是对当前线程执行的字节码的行号指示器。程序计数器占用的内存空间很小，它是线程私有的。当字节码(class)被执行时，线程通过自己的程序计数器来选取下一条字节码指令。程序控制流(分支，循环，异常处理等等)和线程切换时的线程上下文恢复都需要依赖这个计数器。

1.2 虚拟机栈

虚拟机栈就是我们平常讲JVM内存堆栈中的栈，它也是线程私有的，每个虚拟机栈的生命周期都与一个线程相同。虚拟机栈是线程用来执行方法的内存区域，后入先出(Last In First Out,LIFO)。如下图所示：

一个线程在执行方法时，每调用一个方法，就是将该方法作为栈帧压入自己的虚拟机栈；方法里调用另一个方法，就是将另一个方法的栈帧再压入虚拟机栈；线程当前执行的方法就是栈顶帧。

每个栈帧对应一个方法，其内部包括以下内容：

1. 局部变量表，对应方法参数与局部变量，其类型是Java的8种基本数据类型加上对象引用。注意是对象的引用，不是对象本身。
2. 操作栈，线程执行方法内部字节码操作指令时使用的后入先出栈，各种指令会往操作栈中写入和提取信息。Java虚拟机的解释执行引擎被称为“基于栈的执行引擎”,里面的“栈”就是操作栈。
3. 动态连接，每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，栈帧持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)，即，调用一个方法是通过该引用找到运行时常量池中的方法信息的。
4. 方法返回地址，方法执行结束，不管是正常退出还是异常退出，都需要返回到该方法被调用的位置。

1.3 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈类似，不同的是，虚拟机栈是用来执行java方法(class字节码)的，而本地方法栈是用来执行本地方法(native)的。所谓本地方法即JVM进程所在机器的OS的本地函数库，例如linux的.so或windows的.dll这些可执行类库中的方法。Java语法上，使用过JNI调用这些native接口的。

1.4 堆区

Java堆是JVM内存中最大的一块区域，JVM几乎所有的对象实例都在堆里分配内存并创建。堆内部区域的划分取决于JVM的垃圾回收策略，即GC策略。目前主流的GC策略大部分是基于分代收集算法的，如 parNew+CMS，或者G1等等。因此我们可以将Java堆再划分为新生代，老年代。如下图所示：

分代收集算法大致过程：

1. JVM新创建的对象会放在eden区域。
2. 当eden区域快满时，触发Minor GC新生代GC，通过可达性分析将失去引用的对象销毁，剩下的对象移动到幸存者区S1，并清空eden区域，此时S2是空的。
3. 当eden区域又快满时，再次触发Minor GC，对eden和S1的对象进行可达性分析，销毁失去引用的对象，同时将剩下的对象全部移动到另一个幸存者区S2，并清空eden和S1。
4. 每次eden快满时，重复上述第3步，触发Minor GC，将幸存者在S1与S2之间来回倒腾。
5. 在历次Minor GC中一直存活下来的幸存者，或者太大了会导致新生代频繁Minor GC的对象，或者Minor GC时幸存者对象太多导致S1或S2放不下了，那么这些对象就会被放到老年代。
6. 老年代的对象越来越多，最终会触发Major GC或Full GC，对老年代甚至整堆的对象进行清理。通常Major GC或Full GC会导致较长时间的STW，暂停GC以外的所有线程，因此频繁的Major GC或Full GC会严重影响JVM性能。

Java8之前有一个永久代，也会被分代收集算法的GC管理。但永久代严格来说是不属于Java堆区域的，它实际上是对方法区的一种实现。下面的章节会对该概念进行说明。

1.5 方法区

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型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。要注意的是，《Java虚拟机规范》中的方法区是一个逻辑上的区域，不同的JVM对它都有不同的实现。另外，它有一个别名叫作“非堆”(Non-Heap)，目的是与Java堆区分开来。

在Java8之前，HotSpot虚拟机将方法区实现为永久代，能够通过分代收集的GC来管理其内存区域。但这种设计导致Java应用经常遇到内存溢出问题，很多JVM都需要在启动时添加参数-XX:MaxPermSize来调整永久代的大小。因此在Java7的时候，就先将方法区中的字符串常量池，静态变量等转移到了Java堆中；而到了Java8，就直接移除了永久代，将其中剩下的内容如类的元信息，方法元信息，class常量池，运行时常量池等移动到了一个新的区域Metaspace元数据区，将JIT即时编译的代码缓存放到了CodeCache区域。

不管是Java8之前的永久代，还是Java8以后的元数据区与CodeCache，还是Java7以后堆中的字符串常量池，它们在逻辑上都属于方法区。只是不同JVM在不同版本中的具体实现不一样罢了。

这里提到的各种常量池，如字符串常量池，class常量池，运行时常量池将在以后的文章中进一步梳理。

1.6 内存区域异常类型

JVM内存的异常有两种，分别是内存溢出和栈溢出。

• 内存溢出是OutOfMemoryError，一般对应线程共享区域如堆和元数据区。当内存不足以分配对象空间，而堆或方法区又无法扩展时，就会抛出该异常。比如对应堆区的OutOfMemoryError: Java heap space，对应元数据区的OutOfMemoryError: Metaspace。如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展 ，当栈扩展时无法申请到足够的内存也会抛出OutOfMemoryError。
• 栈溢出是StackOverflowError，对应虚拟机栈和本地方法栈，当线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时就会抛出该异常。

二、Java内存模型

第一章讲的是JVM运行时的内存区域划分。而JVM还有一个重要的内存模型的概念，名字有点像，但其实讲的是并发环境下，JVM内存中的共享变量的访问规范。它叫JMM，Java内存模型。

该模型仅针对并发环境下，多个线程之间共享变量的场景。例如class的成员变量，在多线程环境下，不同的线程改变该成员变量的值时，如何在线程之间控制和通信。JMM本质上是一个缓存一致性协议。它的目的，是为了在多CPU核环境下，在尽量利用硬件提高计算性能的同时，保证缓存一致性。

2.1 硬件的效率与一致性

现代计算机执行计算任务时总是尽量让多个cpu尽量并行计算，但计算任务并非只有cpu就行，它总是需要读写内存数据；但内存IO的速度和CPU计算的速度之间有几个数量级的差距，因此现代CPU设计了多层高速缓存，让数据尽量离CPU更近一点。但高速缓存引入了一个新的问题，那就是缓存一致性。多个CPU分别使用自己的高速缓存进行读写后，需要将数据写回内存，如果各自不一致怎么办？以谁为准？为了解决这个问题，就需要在高速缓存和内存之间使用统一的规则来进行数据同步，这就是缓存一致性协议。

2.2 Java内存模型

JMM本身的设计如下：

JMM规范将共享变量所在内存划分为主内存与工作内存。主内存为各线程共享，工作内存为各线程私有。当线程操作共享变量时，它需要将共享变量从主内存复制一份到工作内存中，在工作内存中修改之后再写回主内存。线程只能直接操作工作内存中的变量副本，变量副本与主存之间的读取和写入都是由实现了JMM规范的某种机制实现。

共享变量包括成员字段、静态字段以及数组中的元素。如果共享变量是一个基本数据类型，工作内存中的副本也是基本数据类型；如果共享变量是一个对象，工作内存中的副本就是该对象的引用。

JMM提供了4种操作来完成主存和工作内存之间的变量同步机制，分别是read，write，lock和unlock。这里不作细述。

一开始是8种，后来出于降低理解难度和严谨性的考虑，降为4种。利用这四种操作，JMM能够实现多个线程间对共享变量操作的原子性，可见性和有序性。

2.3 JMM与JVM运行时内存区域

JMM和JVM运行时内存区域其实没啥关系，但主存和工作内存的划分，容易和JVM运行时的各种内存区域产生联想，导致概念上的混淆。

周志明先生的《深入理解Java虚拟机》一书中有下面的叙述：

如果两者一定要勉强对应起来,那么从变量、主内存、工作内存的定义来看,主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分,而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更基础的层次上说,主内存直接对应于物理硬件的内存,而为了获取更好的运行速度,虚拟机(或者是硬件、操作系统本身的优化措施)可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中,因为程序运行时主要访问的是工作内存。

另外可以参考下面这篇文章来理解二者之间对应关系：

Java Memory Model

大致意思就是主存主要对应堆，而工作内存属于虚拟机栈的一部分。但二者并非完全对应。JVM运行时内存区域并不是只对应硬件上的RAM内存，它的堆和栈都有可能部分分配在RAM上，部分分配在CPU寄存器与CPU高速缓存上。只是一般而言，堆区大部分位于RAM上，而虚拟机栈则有部分会分配在高速缓存上。至于工作内存，则应该随着虚拟机栈一起优先分配于寄存器和高速缓存中。