本地方法栈、JVM栈、本地内存和JVM Heap的区别与关系

待我称王封你为后i 2022-10-15 10:54 221阅读 0赞

在Java出现之前，像C/C++这样的编译型语言写出来的代码经过编译后，得到的是可直接在某平台（Windows或Linux）上执行的机器码，即machine code，machine code其实就是native code，它直接和操作系统交互。

对于内存，主要分三部分：  
1）存储可执行代码（冯·诺依曼的存储程序的思想），即编译后的machine code；  
2）用来保存代码执行时用到的局部变量，即stack；  
3）代码执行时，动态找操作系统申请（最终要归还给操作系统）的heap；

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编译型语言写出现的程序，对于Heap的分配和归还都是由程序代码手工维护的。如下图所示，写一段C++代码，GCC编译后就成为了可以在某具体平台上运行的机器码。Native的代码和内存管理主要带来两个问题：一是编译后的代码无法跨平台，毕竟是native的，只能支持被编译平台的操作系统API和指令集。二是堆空间无法自动GC，因为内存管理是手工和操作系统交互，申请与释放的内存的操作交给程序员来做，操作系统并不支持GC。  
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Java是一种解释型语言，**解释型语言是相对于编译型语言存在的，它的源代码不是直接翻译成机器语言，而是先翻译成中间代码，再由解释器对中间代码进行解释运行**。Java为了解决以上两个问题，它提出了虚拟机的思想，在原来的"Native Heap"里大作文章。  
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JVM的ByteCode在任何平台都是一样的。所以到了某个具体的平台，被特定平台的JVM Runtime解释成本平台的machine code，得到可执行代码，存储到Native Code区，machine code运行起来之后就会用到Native Stack和Native Heap，这种把源代码先翻译成中间代码（即ByteCode）再由解释器解释成机器码供运行的模式，就实现了“Write Once，Run Anywhere”。这就解决了代码无法跨平台的问题。

因为Native Heap中相当一部分内存是供Java应用程序存储对象实例的，完全由JVM管理，就可以对JVM管理的Heap里的数据的引用关系做记录，然后用GC来自动释放内存，这就解决了上面提到的堆空间无法自动GC的问题。所以一个Java进程启动时，JVM向操作系统要的内存(-Xms与-Xmx)，和程序向JVM要的内存是两件不同的事情了。JVM Heap的内部结构与用什么GC算法有关，比如对于传统分代就是由Eden(包括S0与S1）、Tenured和PermGen组成。  
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被JVM管理的内存可以总体划分为两部分：Heap Memory和Native Memory。前者我们比较熟悉，其实就是被分成新生代老年代等的JVM heap，是供Java应用程序使用的；后者也称为C-Heap，是供JVM自身进程使用的。Native Memory没有相应的参数来控制大小，其大小依赖于操作系统进程的最大值（对于32位系统就是3~4G，各种系统的实现并不一样）。

Native Memory里存储了什么呢，主要是

*  JNI调用，也就是Native Stack;
 *  JIT（即使编译器）编译时使用Native Memory，并且JIT的输入（Java字节码）和输出（可执行代码）也都是保存在Native Memory；
 *  NIO direct buffer。对于IBM JVM和Hotspot，都可以通过-XX:MaxDirectMemorySize来设置nio直接缓冲区的最大值。默认是64M。超过这个时，会按照32M自动增大。
 *  用于保存类加载器和类信息的MetaSpace，在Native Memory中的。

本地方法栈就是Native Stack，与Java虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是**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Native方法服务**。Navtive方法是Java通过JNI直接调用本地C/C++库，可以认为是Native方法相当于C/C++暴露给Java的一个接口，Java通过调用这个接口从而调用到C/C++方法。

JVM也是在不断发展的，**永久代（PermGen区）是对JVM规范中方法区的实现**，JDK 7的永久代就在JVM Heap中，与新生代老年代一起构成了JVM Heap。在HotSpot JVM中，永久代（PermGen区）用于存放类和方法的元数据以及常量池，比如Class和Method。每当一个类初次被加载的时候，它的元数据都会放到永久代（PermGen区）中。永久代（PermGen区）是有大小限制的，因此如果加载的类太多，很有可能导致永久代内存溢出，即java.lang.OutOfMemoryError: PermGen，由于PermGen内存经常会溢出，因此JVM的开发者希望这一块内存可以更灵活地被管理，不要再经常出现这样的OOM。于是JDK 8开始把类的元数据放到本地堆内存(native heap)中，这一块区域就叫Metaspace，中文名叫元空间。之前永久代的类的元数据存储在新的元空间，原永久代的静态变量以及运行时常量池则转移到了JVM Heap中。  
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Metaspace空间的分配具有和JVM Heap相同的地址空间，使用本地内存有什么好处呢？最直接的表现就是OOM问题将不复存在，本地内存剩余多少理论上Metaspace就可以有多大（容量取决于是32位或是64位操作系统的可用虚拟内存大小），这解决了空间不足的问题。

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如果从线程执行的角度，大概可以这么理解。每个线程从JVM ByteCode开始执行，记录JVM Stack和PC Register，并被解释成Native Code，在Native Stack真正执行。这些线程共享一个JVM Heap，所以访问共享数据时才需要加锁保证安全。  
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在G1之前的其他收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1打破了原有的分代模型，将堆划分为一个个区域。G1将堆分成许多相同大小的区域单元，每个单元称为Region，Region是一块地址连续的内存空间。每个Region被标记了E、S、O和H，说明每个Region在运行时都充当了一种角色。其中H是以往算法中没有的，它代表Humongous，这表示这些Region存储的是巨型对象（humongous object，H-obj），当新建对象大小超过Region大小一半时，直接在新的一个或多个连续Region中分配，并标记为H。

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这么划分的目的是在进行收集时不必在全堆范围内进行，这是它最显著的特点。区域划分的好处就是带来了停顿时间可预测的收集模型：用户可以指定收集操作在多长时间内完成。G1垃圾收集算法主要应用在多CPU大内存的服务中，在满足高吞吐量的同时，尽可能地缩短垃圾回收时的暂停时间。

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