Java 内存结构和内存模型

落日映苍穹つ 2024-03-24 11:43 72阅读 0赞

### 什么Java内存模型？ ###

答：Java内存模型分别有堆、栈、方法区…

可快别这样回答了，你回答的只是内存结构！内存模型是另一种东西。

应该这样回答：

> Java内存模型，简称JMM，是java虚拟机规范定义的，用来屏蔽掉java程序在各种不同的硬件和操作系统对内存的访问的差异，这样就可以实现java程序在各种不同的平台上都能达到内存访问的一致性。

注意：JVM中的堆啊、栈啊、方法区什么的，是Java虚拟机的内存结构。内存模型概念如上，千千万万不要再搞混淆了。

### Java内存结构 ###

Java虚拟机内存结构，主要就是分析 Java虚拟机（JVM） 运行时数据存储区域。Java虚拟机（JVM）的运行时数据区主要包括：堆、栈、方法区、程序计数器等。

而Java虚拟机（JVM）的优化问题主要在线程共享的数据区中：堆、方法区。  
![在这里插入图片描述][7a95942743f54d798a7543eb408991fa.png]  
内存结构就是上图中内存空间这些东西，而[Java内存模型][Java]，完全是另外的一个东西。

### Java中的内存分配 ###

Java程序在运行时，需要在内存中的分配空间。为了提高运算效率，就对数据进行了不同空间的划分，因为每一片区域都有特定的处理数据方式和内存管理方式。

具体划分为如下5个内存空间：

*  栈：存放局部变量
 *  堆：存放所有new出来的东西
 *  方法区：被虚拟机加载的类信息、常量、静态常量等。
 *  程序计数器(和系统相关)
 *  本地方法栈

![在这里插入图片描述][98cabca405094307b1641986db1a9f38.png]

#### 1、程序计数器（Program Counter Register） ####

程序计数器是一块很小的内存空间，它是线程私有的，可以认作为当前线程的行号指示器。

> 一个线程的执行，是通过字节码解释器改变当前线程的计数器的值，来获取下一条需要执行的字节码指令，从而确保线程的正确执行。

![在这里插入图片描述][77db8798b08a4447af6aa15d34ef8eba.png]  
**为什么需要程序计数器 ？**

我们知道对于一个处理器(如果是多核cpu那就是一核)，在一个确定的时刻都只会执行一条线程中的指令，一条线程中有多个指令，为了线程切换可以恢复到正确执行位置，`每个线程都需有独立的一个程序计数器，不同线程之间的程序计数器互不影响，独立存储。`

\*\*注意：\*\*如果线程执行的是个java方法，那么计数器记录虚拟机字节码指令的地址。如果为native【底层方法】，那么计数器为空。`这块内存区域是虚拟机规范中唯一没有OutOfMemoryError的区域。`

#### 2、虚拟机栈（Java Stack） ####

又叫Java栈,就是我们平常说的栈

虚拟机栈也是`线程私有的`，生命周期与程序计数器相同，就是我们平时说的栈，`栈描述的是Java方法执行的内存模型。`

虚拟机栈-过程详情描述

1.  **每创建一个线程**，虚拟机就会为这个线程**创建一个虚拟机栈**，
2.  虚拟机栈表示Java方法执行的内存模型，**每调用一个方法**，就会**生成一个栈帧**（Stack Frame）用于存储方法的`本地变量表、操作栈、方法出口`等信息，当这个方法执行完后，就会弹出相应的栈帧。

![在这里插入图片描述][0a59b740cc91470e96f95c2d77fada02.png]

> 如果请求的栈的深度过大，虚拟机可能会抛出StackOverflowError异常，如果虚拟机的实现中允许虚拟机栈动态扩展，当内存不足以扩展栈的时候，会抛出OutOfMemoryError异常。

**栈帧（Stack Frame）**

![在这里插入图片描述][ad2895736914450eb94c8a8468c8ba3e.png]  
栈帧分为三部分：`局部变量区（Local Variables）、操作数栈（Operand Stack）和帧数据区（Frame Data）。`

*  **局部变量区（Loca Variables）**：局部变量区被组织一个一个从0开始的字数组，byte、short、char在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true，long和double占据两个字长。
 *  **操作数栈（Operand Stack）**：操作数栈也被组织为一个字数组，但不同于局部变量区，它不是通过数组下标访问的，而是能过栈的Push和Pop操作，前一个操作Push进的数据可以被下一个操作Pop出来使用。
 *  \*\*帧数据区（Frame Data）\*\*这部分的作用主要有三部分：
    
     *  常量池中数据的解析
     *  方法执行完后处理方法返回，恢复调用方现场
     *  方法执行过程中抛出异常时的异常处理，存储有一个异常表，当出现异常时虚拟机查找相应的异常表看是否有对应的Catch语句，如果没有就抛出异常终止这个方法调用

#### 3、本地方法栈（Native Method Stack） ####

与虚拟机栈类似，只是是执行本地方法时使用的

*  (本地方法栈则为 JVM 使用到的 Native 方法服务。)

#### 4、方法区（Method Area） ####

用于存储已被虚拟机加载的`类型信息、常量、静态变量、即时编译后的代码`等信息。

方法区是`线程间共享`的，当两个线程同时需要加载一个类型时，只有一个类会请求ClassLoader加载，另一个线程会等待。

![在这里插入图片描述][138152075a834c428f3bdbbffa325876.png]  
小结：

*  静态变量+常量+类信息（版本、方法、字段等）+运行时常量池存在方法区中

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**拓展内容 - 常量池分类**

*  常量池大体可以分为：静态常量池，运行时常量池。

**静态常量池**：存在于class文件中，比如经常使用的javap -verbose中，常量池总是在最前面

**运行时常量池**：就是在class文件被加载进了内存之后，常量池保存在了方法区中，`通常说的常量池 指的是运行时常量池`。所以呢，讨论的都是运行时常量池

![在这里插入图片描述][043edb9c21204bea83324d5a99cb14ab.png]

#### 5、堆（Heap） ####

**虚拟机中用于存放对象与数组实例的地方**，垃圾回收的主要区域就是这里（还可能有方法区）。

Java 中的堆是 JVM 所管理的最大的一块内存空间，**主要用于存放各种类的实例对象**。

在 Java 中，堆被划分成两个不同的区域：新生代 ( Young )、老年代 ( Old )。

新生代又可能分为Eden区，From Survivor区和To Survivor区，主要是为了垃圾回收。所有的线程共享Java堆，在这里还可以划分线程私有的缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

![在这里插入图片描述][f372c920a5d4473daa0b1e08197bc41a.png]  
`堆的大小可以通过参数 –Xms、-Xmx 来指定。`

Java堆只要求逻辑上是连续的，在物理空间上可以不连续。

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**什么是新生代 ?**

新生代（Young Generation）主要是用来存放新生的对象。

新生代又被进一步划分为Eden区（伊甸园区）和Survivor区（幸存区，包含空间相等的S0、S1区，或者说From、To区，没有先后顺序，是Copying算法的需要）。

大多数情况下，java中新建的对象都是在新生代上分配的，通过Copying算法来进行分配内存和垃圾回收。

**什么是老生代 ?**

老生代（Old Generation）主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。

在新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象，会被存放到老生代中。老生代通过标记/整理算法来清理无用内存。

![在这里插入图片描述][757a319da5964a159db80031a6cf1fac.png]

### 参考 ###

本文稍作修改，感谢博主，博主CSDN主页：https://blessing.blog.csdn.net/  
参考地址：https://www.cnblogs.com/blessing2022/p/16622248.html

[7a95942743f54d798a7543eb408991fa.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/4147c5b379c74b3a9161ea23b9aa9e6a.png
[Java]: https://blog.csdn.net/weixin_45393094/article/details/106219606
[98cabca405094307b1641986db1a9f38.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/1d19716503c94322b0943c3f90b944a7.png
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