JVM 内存布局详解，图文并茂，写得太好了！

野性酷女 2023-09-28 15:25 9阅读 0赞

### 内存布局 ###

JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的稳定高效运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在部分差异。结合JVM虚拟机规范，一起来探讨jVM的内存布局。如下图所示：

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### Heap 堆区 ###

`Heap`堆区是Java发生`OOM`（Out Of Memory）故障的地方，堆中存储着我们平时创建的`实例对象`，最终这些不再使用的对象会被垃圾收集器回收掉，而且`堆是线程共享的`。一般情况下，堆所占用的内存空间是JVM内存区域中最大的，我们在平时编码中，创建对象如果不加以克制，内存空间也会被耗尽。

堆的内存空间是可以`自定义大小`的，同时也支持在`运行时动态修改`，通过 `-Xms` 、`-Xmx` 这两参数去改变堆的`初始值`和`最大值`。`-X`指的是JVM运行参数，`ms` 是memory start的简称，代表的是`最小堆容量`，`mx`是memory max的简称，代表的是`最大堆容量`；如 -Xms256M代表堆的初始值是256M，-Xmx1024M代表堆的最大值是1024M。

由于堆的内存空间是可以动态调整的，所以在服务器运行的时候，请求流量的不确定性可能会导致我们堆的内存空间不断调整，会增加服务器的压力，所以我们一般都会将JVM的`Xms`和`Xmx`的值设置成一样，同样也为了避免在`GC`（垃圾回收）之后调整堆大小时带来的额外压力。

堆区分为两大区：`Young`区和`Old`区，又称`新生代`和`老年代`。对象刚创建的时候，会被创建在`新生代`，**到一定阶段之后会移送至老年代**，如果创建了一个新生代无法容纳的新对象，那么这个新对象也可以创建到老年代。如上图所示。

`新生代`分为1个`Eden`区和2个`S区`，S代表`Survivor`。大部分的对象会在`Eden区`中生成，当Eden区没有足够的空间容纳新对象时，会触发Young Garbage Collection，即`YGC`。在Eden区进行垃圾清除时，它的策略是会把`没有引用的对象直接给回收掉，还有引用的对象会被移送到Survivor区`。

Survivor区有`S0`和`S1`两个内存空间，`每次进行YGC的时候，会将存活的对象复制到未使用的那块内存空间，然后将当前正在使用的空间完全清除掉，再交换两个空间的使用状况`。如果YGC要移送的对象Survivor区无法容纳，那么就会将该对象直接移交给老年代。

上面说了，到`一定阶段`的对象会移送到老年区，这是什么意思呢？每一个对象都有一个计数器，当每次进行YGC的时候，都会 `+1`。通过`-XX:MAXTenuringThrehold`参数可以配置当计数器的值到达某个阈值时，对象就会从新生代移送至老年代。

该参数的默认值为15，也就是说`对象在Survivor区中的S0和S1内存空间交换的次数累加到15次之后，就会移送至老年代`。如果参数配置为1，那么创建的对象就会直接移送至老年代。具体的对象分配即回收流程可观看下图所示。

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如果`Survivor`区无法放下，或者创建了一个超大新对象，`Eden`和`Old`区都无法存放，就会触发Full Garbage Collection，即`FGG`，便再尝试放在`Old`区，如果还是容纳不了，就会抛出`OOM`异常。在不同的JVM实现及不同的回收机制中，堆内存的划分方式是不一样的。

### Metaspace 元空间 ###

在JDK8版本中，元空间的前身`Pern`区已经被淘汰。在JDK7及之前的版本中，`Hotspot`还有`Pern`区，翻译为永久代，在启动时就已经确定了大小，难以进行调优，并且只有`FGC`时会移动类元信息。不同于之前版本的`Pern`（永久代），JDK8的`元空间`已经在`本地内存`中进行分配，并且，`Pern`区中的所有内容中`字符串常量`移至`堆内存`，其他内容也包括了`类元信息`、`字段`、`静态属性`、`方法`、`常量`等等都移至`元空间`内。

### JVM Stacks 虚拟机栈 ###

栈（Stack）是一个`先进后出`的数据结构，先进后出怎么理解？类似于我们平时打羽毛球时，装羽毛球的球筒，第一个先放进去的往往最后一个才能拿出来，最后放进去的一个最先拿出来。

相对于基于寄存器的运行环境来说，JVM是基于`栈结构`的运行环境。因为栈结构移植性更好，可控性更强。JVM的虚拟机栈是描述Java方法执行的内存区域，并且是`线程私有`的。`栈中的元素用于支持虚拟机进行方法调用，每个方法从开始调用到执行完成的过程，就是栈帧从入帧到出帧的过程。`

在活动线程中，只有位于栈顶的帧才是有效的，称为`当前栈帧`。正在执行的方法称为`当前方法`，栈帧是方法运行的基本结构。在执行引擎运行时，所有指令都只能针对当前栈帧进行操作。而StackOverflowError表示请求的栈溢出，导致内存耗尽，通常出现在递归方法中。如果把`JVM`当做一个棋盘，`虚拟机栈`就是棋盘上的将/帅，`当前方法的栈帧`就是棋子能走的区域，而`操作栈`就是每一个棋子。操作栈的压栈和出栈如下图所示：

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虚拟机栈通过`压栈`和`出栈`的方式，对每个方法对应的活动栈帧进行运算处理，方法正常执行结束，肯定会跳转到另外一个栈帧上。在执行的过程中，如果出现异常，会进行异常回溯，返回地址通过异常处理表确定。栈帧在整个JVM体系中的地位颇高，包括`局部变量表`、`操作栈`、`动态连接`、`方法返回地址`等。

下面对栈帧的各个活动栈帧进行简要的分析

（1）局部变量表

局部变量表是存放`方法参数`和`局部变量`的区域。我们都知道，类属性变量一共要经历两个阶段，分为`准备阶段`和`初始化阶段`，而局部变量是没有准备阶段，只有`初始化阶段`，而且必须是`显示`的。如果是非静态方法，则在index\[0\]位置上存储的是`方法所属对象的实例引用`，随后存储的是`参数`和`局部变量`。字节码指令中的STORE指令就是`将操作栈中计算完成的局部变量写回局部变量表的存储空间内`。

（2）操作栈

操作栈是一个`初始状态为空的桶式结构栈`。在方法执行过程中，会有各种指令往栈中写入和提取信息。JVM的执行引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是`操作栈`。字节码指令集的定义都是`基于栈类型`的，栈的深度在方法元信息的stack属性中，下面就通过一个例子来说明下操作栈与局部变量表的交互：

public int add() {
        int x = 10;
        int y = 20;
        int z = x + y;
    
        return z;
    }

字节码操作顺序如下：

public int add();
      Code:
         0: bipush        10 // 常量 10 压入操作栈
         2: istore_1     // 并保存到局部变量表的 slot_1 中  （第 1 处）
         3: bipush        20 // 常量 20 压入操作栈
         5: istore_2     // 并保存到局部变量表的 slot_2 中
         6: iload_1      // 把局部变量表的 slot_1 元素（int x）压入操作栈
         7: iload_2      // 把局部变量表的 slot_2 元素（int y）压入操作栈
         8: iadd      // 把上方的两个数都取出来，在 CPU 里加一下，并压回操作栈的栈顶
         9: istore_3     // 把栈顶的结果存储到局部变量表的 slot_3 中
        10: iload_3
        11: ireturn      // 返回栈顶元素值

第 1 处说明：局部变量表就像一个快递柜，有着很多的柜子，依次编号为1,2,3，...，n，字节码指令 `istore_1` 就代表打开了 1 号柜子，再把栈顶中的值 10 存进去。栈就好如一个桶，任何时候只能对桶口的元素进行操作，所以数据只能在栈顶进行存取。部分指令可以直接在柜子里面直接进行，比如 `iinc`指令，直接对抽屉里的数值进行 `+1`操作。我们经常遇到的 i++ 和 ++i，通过字节码对比起来，答案一下子就一目了然了。如下表格所示：

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左列中，`iload_1` 从局部变量表的第1号柜子取出一个数，压入栈顶，下一步直接在柜子里实现 + 1的操作，而这个操作时对栈顶元素的值没有任何影响，所以 `istore_2` 只是把栈顶元素赋值给 a，而右列，它是先在柜子里面进行 +1的操作，然后再通过 `iload_1` 把第1号柜子里的数压入栈顶，所以`istore_2`赋给a的值是 +1 之后的值。扩展下，i++ 并非是原子操作。即使通过`volatile`关键字来修饰，多线程情况下，还是会出现数据互相覆盖的情况。

（3）动态连接

每个栈帧中包含一个`在常量池中对当前方法的引用`，目的是`支持方法调用过程的动态连接`。

（4）方法返回地址

方法执行时有两种退出情况：第一，正常退出，即`正常执行到任何方法的返回字节码指令`，如 `RETURN`、`IRETURN`、`ARETURN`等；第二，异常退出。`无论何种退出情况，都将返回方法当前被调用的位置`。方法退出的过程相当于弹出当前栈帧，而退出可能有三种方式：

*  返回值压入上层调用栈帧。
 *  异常信息抛给能够处理的栈帧。
 *  PC 计数器指向方法调用后的下一条指令。

### Native Method Stacks（本地方法栈） ###

本地方法栈（Native Method Stack）在JVM内存布局中，也是`线程对象私有`的，但是虚拟机栈“主内”，而本地方法栈“主外”。这个“内外”是针对JVM来说的，本地方法栈为`Native方法`服务。线程开始调用本地方法时，会进入一个不再受JVM约束的世界。本地方法可以通过`JVNI`（Java Native Interface）来访问虚拟机运行时的数据区，甚至可以调用寄存器，具有和JVM相同的能力和权限。当大量本地方法出现时，势必会削弱JVM对系统的控制力，因为它的出错信息都比较黑盒，难以捉摸。对于内存不足的情况，本地方法栈还是会抛出 `native heap OutOfMemory`。另外，搜索公众号GitHub猿台回复“理财”，获取一份惊喜礼包。

重点说下JNI类本地方法，最常用的本地方法应该是`System.currentTimeMills()`，`JNI`使Java深度使用操作系统的特性功能，复用非Java代码。但是在项目过程中，如果大量使用其他语言来实现`JNI`，就会丧失跨平台特性，威胁到程序运行的稳定性。假如需要与本地代码交互，就可以用中间标准框架来进行解耦，这样即使本地方法崩溃也不至于影响到`JVM`的稳定。

### Program Counter Register （程序计数寄存器） ###

在程序计数寄存器（Program Counter Register，PC）中，Register的命名源于CPU的寄存器，`CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行`。寄存器存储指令相关的现场信息，由于CPU时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一个指令。

这样必然会导致经常中断或恢复，如何才能保证分毫无差呢？每个线程在创建之后，都会产生自己的`程序计数器`和`栈帧`，`程序计数器`用来存放`执行指令的偏移量和行号指示器等`，线程执行或恢复都要依赖`程序计数器`。`程序计数器在各个线程之间互不影响，此区域也不会发生内存溢出异常`。

### 小结 ###

最后，从线程的角度来看，堆和元空间是所有线程共享的，而虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程内部私有的，我们以线程的角度再来看看Java的内存结构图：

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