Java-JVM内存模型

Java内存模型划分

废话少说先上图：

1.程序计数器

　　程序计数器（Program Counter Register），也有称作为PC寄存器。想必学过汇编语言的朋友对程序计数器这个概念并不陌生，在汇编语言中，程序计数器是指CPU中的寄存器，它保存的是程序当前执行的指令的地址（也可以说保存下一条指令的所在存储单元的地址），当CPU需要执行指令时，需要从程序计数器中得到当前需要执行的指令所在存储单元的地址，然后根据得到的地址获取到指令，在得到指令之后，程序计数器便自动加1或者根据转移指针得到下一条指令的地址，如此循环，直至执行完所有的指令。

　　虽然JVM中的程序计数器并不像汇编语言中的程序计数器一样是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序计数器的功能跟汇编语言中的程序计数器的功能在逻辑上是等同的，也就是说是用来指示 执行哪条指令的。

　　由于在JVM中，多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，因此，在任一具体时刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，因此，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切换之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立的程序计数器，并且不能互相被干扰，否则就会影响到程序的正常执行次序。因此，可以这么说，程序计数器是每个线程所私有的。

　　在JVM规范中规定，如果线程执行的是非native方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址；如果线程执行的是native方法，则程序计数器中的值是undefined。

　　由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，因此，对于程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

操作数栈

- 与局部变量表一样，均以字长为单位的数组。不过局部变量表用的是索引，操作数栈是弹栈/压栈来访问。操作数栈可理解为java虚拟机栈中的一个用于计算的临时数据存储区。
- 存储的数据与局部变量表一致含int、long、float、double、reference、returnType，操作数栈中byte、short、char压栈前(bipush)会被转为int。
- 数据运算的地方，大多数指令都在操作数栈弹栈运算，然后结果压栈。
- java虚拟机栈是方法调用和执行的空间，每个方法会封装成一个栈帧压入占中。其中里面的操作数栈用于进行运算，当前线程只有当前执行的方法才会在操作数栈中调用指令（可见java虚拟机栈的指令主要取于操作数栈）。
- int类型在-1~5、-128~127、-32768~32767、-2147483648~2147483647范围分别对应的指令是iconst、bipush、sipush、ldc(这个就直接存在常量池了)

2.Java栈

　　Java栈也称作虚拟机栈（Java Vitual Machine Stack），也就是我们常常所说的栈，跟C语言的数据段中的栈类似。事实上，Java栈是Java方法执行的内存模型。为什么这么说呢？下面就来解释一下其中的原因。

　　Java栈中存放的是一个个的栈帧，每个栈帧对应一个被调用的方法，在栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向当前方法所属的类的运行时常量池（运行时常量池的概念在方法区部分会谈到）的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些额外的附加信息。当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。因此可知，线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。讲到这里，大家就应该会明白为什么 在 使用 递归方法的时候容易导致栈内存溢出的现象了以及为什么栈区的空间不用程序员去管理了（当然在Java中，程序员基本不用关系到内存分配和释放的事情，因为Java有自己的垃圾回收机制），这部分空间的分配和释放都是由系统自动实施的。对于所有的程序设计语言来说，栈这部分空间对程序员来说是不透明的。

下图表示了一个Java栈的模型：

　　局部变量表，顾名思义，想必不用解释大家应该明白它的作用了吧。就是用来存储方法中的局部变量（包括在方法中声明的非静态变量以及函数形参）。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。

　　操作数栈，想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生，栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

　　指向运行时常量池的引用，因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。

　　方法返回地址，当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

　　由于每个线程正在执行的方法可能不同，因此每个线程都会有一个自己的Java栈，互不干扰。

3.本地方法栈

　　本地方法栈与Java栈的作用和原理非常相似。区别只不过是Java栈是为执行Java方法服务的，而本地方法栈则是为执行本地方法（Native Method）服务的。在JVM规范中，并没有对本地方发展的具体实现方法以及数据结构作强制规定，虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和Java栈合二为一。

4.堆

　　在C语言中，堆这部分空间是唯一一个程序员可以管理的内存区域。程序员可以通过malloc函数和free函数在堆上申请和释放空间。那么在Java中是怎么样的呢？

　　Java中的堆是用来存储对象本身的以及数组（当然，数组引用是存放在Java栈中的）。只不过和C语言中的不同，在Java中，程序员基本不用去关心空间释放的问题，Java的垃圾回收机制会自动进行处理。因此这部分空间也是Java垃圾收集器管理的主要区域。另外，堆是被所有线程共享的，在JVM中只有一个堆。

5.方法区

　　方法区在JVM中也是一个非常重要的区域，它与堆一样，是被线程共享的区域。在方法区中，存储了每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。

　　在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。

　　在方法区中有一个非常重要的部分就是运行时常量池，它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，在类和接口被加载到JVM后，对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中，比如String的intern方法。

　　在JVM规范中，没有强制要求方法区必须实现垃圾回收。很多人习惯将方法区称为“永久代”，是因为HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区，从而JVM的垃圾收集器可以像管理堆区一样管理这部分区域，从而不需要专门为这部分设计垃圾回收机制。不过自从JDK7之后，Hotspot虚拟机便将运行时常量池从永久代移除了。

方法区描述

1、类型信息

    类型的全限定名
    超类的全限定名
    直接超接口的全限定名
    类型标志（该类是类类型还是接口类型）
    类的访问描述符（public、private、default、abstract、final、static）
2、类型的常量池
存放该类型所用到的常量的有序集合，包括直接常量（如字符串、整数、浮点数的常量）和对其他类型、字段、方法的符号引用。常量池中每一个保存的常量都有一个索引，就像数组中的字段一样。因为常量池中保存中所有类型使用到的类型、字段、方法的字符引用，所以它也是动态连接的主要对象（在动态链接中起到核心作用）。
3、字段信息（该类声明的所有字段）
    字段修饰符（public、protect、private、default）
    字段的类型
    字段名称
4、方法信息
方法信息中包含类的所有方法，每个方法包含以下信息：
    方法修饰符
    方法返回类型
    方法名
    方法参数个数、类型、顺序等
    方法字节码
    操作数栈和该方法在栈帧中的局部变量区大小
    异常表
5、类变量（静态变量）
指该类所有对象共享的变量，即使没有任何实例对象时，也可以访问的类变量。它们与类进行绑定。
6、 指向类加载器的引用
每一个被JVM加载的类型，都保存这个类加载器的引用，类加载器动态链接时会用到。
7、指向Class实例的引用
类加载的过程中，虚拟机会创建该类型的Class实例，方法区中必须保存对该对象的引用。通过Class.forName(String className)来查找获得该实例的引用，然后创建该类的对象。
8、方法表
为了提高访问效率，JVM可能会对每个装载的非抽象类，都创建一个数组，数组的每个元素是实例可能调用的方法的直接引用，包括父类中继承过来的方法。这个表在抽象类或者接口中是没有的，类似C++虚函数表vtbl。

9、运行时常量池

运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分.Class文件中除了有类的版本/字段/方法/接口等描述信息外,还有一项信息是常量池(Constant Pool Table),用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将类在加载后进入方法区的运行时常量池中存放.
Java虚拟机对Class文件每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机任何/装载和执行,但是对于运行时常量池,Java虚拟机规范没有做任何细节的要求,不用的提供上实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域.不过,一般来说,除了保存Class文件中描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中.
运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征就是具备动态性,Java语言并不要求常量一定只有在编译期才能产生,也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法.

既然运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常.

方法区特征

1 线程共享
方法区是堆的一个逻辑部分,因此和堆一样,都是线程共享的.整个虚拟机只有一个方法区.
2 永久代
方法区中的信息一般需要长期存在,而且它又是堆的逻辑分区,因此用堆的划分方法,我们把方法区称之为老年代.
3 内存回收效率低
方法区中的信息一般需要长期存在,回收一遍内存之后可能只有少量信息无效.对方法区的内存回收的主要目标是:对常量池的回收和对类型的卸载.
4 Java虚拟机堆方法区的要求比较宽松
和堆一样,允许固定大小,也允许可扩展的大小,还允许不识闲垃圾回收.