本文就JVM运行时内存区域和Java内存模型进行一些简略的梳理。

一、JVM运行时内存区域

Java虚拟机在执行Java程序时，会将调配给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，直到敞开JVM过程；有些区域则依赖于用户线程，随着用户线程的生命周期一起创立和销毁。

依照《Java虚拟机标准》的对应对JVM运行时内存区域的划分，以及Java8前后HotSpot虚拟机对该标准的具体实现，能够参考下图：

接下来咱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)是对以后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，它是线程公有的。当字节码(class)被执行时，线程通过本人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，异样解决等等)和线程切换时的线程上下文复原都须要依赖这个计数器。

1.2 虚拟机栈

虚拟机栈就是咱们平时讲JVM内存堆栈中的栈，它也是线程公有的，每个虚拟机栈的生命周期都与一个线程雷同。虚拟机栈是线程用来执行办法的内存区域，后入先出(Last In First Out,LIFO)。如下图所示：

一个线程在执行办法时，每调用一个办法，就是将该办法作为栈帧压入本人的虚拟机栈；办法里调用另一个办法，就是将另一个办法的栈帧再压入虚拟机栈；线程以后执行的办法就是栈顶帧。

每个栈帧对应一个办法，其外部包含以下内容：

  1. 局部变量表，对应办法参数与局部变量，其类型是Java的8种根本数据类型加上对象援用。留神是对象的援用，不是对象自身。
  2. 操作栈，线程执行办法外部字节码操作指令时应用的后入先出栈，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”,外面的“栈”就是操作栈。
  3. 动静连贯，每个栈帧都蕴含一个指向运行时常量池中该栈帧所属办法的援用，栈帧持有这个援用是为了反对办法调用过程中的动静连贯(Dynamic Linking)，即，调用一个办法是通过该援用找到运行时常量池中的办法信息的。
  4. 办法返回地址，办法执行完结，不论是失常退出还是异样退出，都须要返回到该办法被调用的地位。

1.3 本地办法栈

本地办法栈与虚拟机栈相似，不同的是，虚拟机栈是用来执行java办法(class字节码)的，而本地办法栈是用来执行本地办法(native)的。所谓本地办法即JVM过程所在机器的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办法。Java语法上，应用过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简直所有的对象实例都在堆里分配内存并创立。堆外部区域的划分取决于JVM的垃圾回收策略，即GC策略。目前支流的GC策略大部分是基于分代收集算法的，如 parNew+CMS，或者G1等等。因而咱们能够将Java堆再划分为新生代，老年代。如下图所示：

分代收集算法大抵过程：

  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，通过可达性剖析将失去援用的对象销毁，剩下的对象挪动到幸存者区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的对象进行可达性剖析，销毁失去援用的对象，同时将剩下的对象全副挪动到另一个幸存者区S2，并清空eden和S1。
  4. 每次eden快满时，反复上述第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中始终存活下来的幸存者，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Full GC，也叫Major GC，对老年代的对象进行清理。通常Full GC会或多或少导致STW，暂停GC以外的所有线程，因而频繁的Full GC会重大影响JVM性能。
Java8之前有一个永恒代，也会被分代收集算法的GC治理。但永恒代严格来说是不属于Java堆区域的，它实际上是对办法区的一种实现。上面的章节会对该概念进行阐明。

1.5 办法区

办法区(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、动态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。要留神的是，《Java虚拟机标准》中的办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)，目标是与Java堆辨别开来。

在Java8之前，HotSpot虚拟机将办法区实现为永恒代，可能通过分代收集的GC来治理其内存区域。但这种设计导致Java利用常常遇到内存溢出问题，很多JVM都须要在启动时增加参数-XX:MaxPermSize来调整永恒代的大小。因而在Java7的时候，就先将办法区中的字符串常量池，动态变量等转移到了Java堆中；而到了Java8，就间接移除了永恒代，将其中剩下的内容如类的元信息，办法元信息，class常量池，运行时常量池等挪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。

不论是Java8之前的永恒代，还是Java8当前的元数据区与CodeCache，还是Java7当前堆中的字符串常量池，它们在逻辑上都属于办法区。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，运行时常量池将在当前的文章中进一步梳理。

1.6 内存区域异样类型

JVM内存的异样有两种，别离是内存溢出和栈溢出。

  • 内存溢出是OutOfMemoryError，个别对应线程共享区域如堆和元数据区。当内存不足以调配对象空间，而堆或办法区又无奈扩大时，就会抛出该异样。比方对应堆区的OutOfMemoryError: Java heap space，对应元数据区的OutOfMemoryError: Metaspace。如果Java虚拟机栈容量能够动静扩大 ，当栈扩大时无奈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办法栈，当线程申请的栈深度大于虚拟机所容许的深度时就会抛出该异样。

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拜访标准。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，不同的线程扭转该成员变量的值时，如何在线程之间管制和通信。JMM实质上是一个缓存一致性协定。它的目标，是为了在多CPU核环境下，在尽量利用硬件进步计算性能的同时，保障缓存一致性。

2.1 硬件的效率与一致性

古代计算机执行计算工作时总是尽量让多个cpu尽量并行计算，但计算工作并非只有cpu就行，它总是须要读写内存数据；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，因而古代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别离应用本人的高速缓存进行读写后，须要将数据写回内存，如果各自不统一怎么办？以谁为准？为了解决这个问题，就须要在高速缓存和内存之间应用对立的规定来进行数据同步，这就是缓存一致性协定。

2.2 Java内存模型

JMM自身的设计如下：

JMM标准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，工作内存为各线程公有。当线程操作共享变量时，它须要将共享变量从主内存复制一份到工作内存中，在工作内存中批改之后再写回主内存。线程只能间接批改工作内存中的变量正本，变量正本与主存之间的读取和写入都是由实现了JMM标准的某种机制实现。JMM提供了4种操作来实现主存和工作内存之间的变量同步机制，别离是read，write，lock和unlock。这里不作细述。

一开始是8种，起初出于升高了解难度和严谨性的思考，降为4种。利用这四种操作，JMM可能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，导致概念上的混同。

周志明学生的《深刻了解Java虚拟机》一书中有上面的叙述：

如果两者肯定要勉强对应起来,那么从变量、主内存、工作内存的定义来看,主内存次要对应于Java堆中的对象实例数据局部 ,而工作内存则对应于虚拟机栈中的局部区域。

主内存对应Java堆中的对象实例这一点，我没有什么疑义。但对于工作内存局部，我还有些纳闷：

  1. 如果工作内存对应虚拟机栈的局部区域的话，那是不是阐明虚拟机栈有可能是被调配到CPU高速缓存里？也就是说JVM运行时内存区域不仅仅是RAM内存，还包含CPU高速缓存？
  2. 如果虚拟机栈只存在于RAM内存中而不会被调配到CPU高速缓存中的话，那么JMM中的工作内存在理论的JVM中到底是如何实现的？