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Java 内存模型（JMM）

JMM ，全称 Java Memory Model ，中文释义 Java 内存模型

一、运行时数据区域划分

• JVM 虚拟机在执行 Java 程序过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域‘
• JDK 1.8 之前分为：线程共享（Heap堆区、Method Area方法区）、线程私有（虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器）
• JDK 1.8以后分为：线程共享（Heap堆区、MetaSpace 元空间）、线程私有（虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器）

二、程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，是当前线程所执行的字节码的行号指示器

• 字节码解释器在解释执行字节码文件工作时，每当需要执行一条字节码指令时，就通过改变程序计数器的值来完成。程序中的分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。
• 程序执行过程中，会不断的切换当前执行线程，切换后，为了能让当前线程恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，并且各线程之间计数器互不影响，独立存储。

计数器的作用

1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理
2. 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候，能够知道当前线程的运行位置
3. 程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError的内存区域，它随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡

三、Java 虚拟机栈（VM Stack）

与程序计数器一样，VM Stack虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期和线程相同，用于描述 Java 方法执行时的内存模型，每次方法调用的数据都是通过栈传递的。

JMM内存区域可以粗略的区分为堆内存（Heap）和栈内存 (Stack)。其中栈就是VM Stack虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

局部变量表主要存放了编译期可知的各种基本数据类型变量值（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）

Java 虚拟机栈是由一个个栈帧组成，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。

每一次方法调用都会有一个对应的栈帧被压入 VM Stack虚拟机栈，每一个方法调用结束后，代表该方法的栈帧会从VM Stack虚拟机栈中弹出。

在活动线程中， 只有位于栈顶的帧才是有效的， 称为当前活动栈帧，代表正在执行的当前方法。

在JVM执行引擎运行时， 所有指令都只能针对当前活动栈帧进行操作。虚拟机栈通过 pop和 push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，肯定会跳转到另一个栈帧上。

• Java 方法有两种返回方式，不管哪种返回方式都会导致当前活动栈帧被弹出

• • return 语句
  • 抛出异常

Java 虚拟机栈会出现两种错误：StackOverFlowError 和OutOfMemoryError

• StackOverFlowError：当线程请求栈的深度超过 JVM虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出 StackOverFlowError 错误。
• OutOfMemoryError： JVM的内存大小可以动态扩展， 如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异

四、本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈用于虚拟机调用的 Native方法

native关键字修饰的本地方法被执行的时候，在本地方法栈中也会创建一个栈帧，用于存放该native本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。方法执行完毕后，相应的栈帧也会出栈并释放内存空间。也会出现 StackOverFlowError和 OutOfMemoryError两种错误

五、堆（Heap）

1、概述

Heap堆区，用于存放对象实例和数组的内存区域

Heap堆是JVM 所管理的内存中最大的一块区域，被所有线程共享的一块内存区域。堆区中存放对象实例，“几乎”所有的对象实例以及数组都在这里分配内存

Java 世界中“几乎”所有的对象都在堆中分配，但是，随着 JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。

从JDK 1.7 开始已经默认开启逃逸分析，如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用（也就是未逃逸出去），那么对象可以直接在栈上分配内存

2、新生代、老年代

Heap 堆是 **垃圾收集器 GC（Garbage Collected）**管理的主要区域，因此堆区也被称为 GC堆（Garbage Collected Heap）

从垃圾回收的角度，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 JVM 中的堆区往往进行分代划分，例如：新生代 和 老年代。目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存

Heap 堆区中的新生代、老年代的空间分配比例，可以通过java -XX:+PrintFlagsFinal -version命令查看

上述输出结果结果分析

• InitialSurvivorRatio = 8

新生代Young（Eden/Survivor）空间的初始比例 = 8：代表Eden占新生代空间的80%；

• uintx NewRatio = 2

老年代Old / 新生代 Young的空间比例 = 2 ： 代表老年代Old是新生代Young的2倍

因为新生代是由 Eden + s0 + s1 组成的，所以按照上述默认比例，如果 Eden` 区内存大小是 40M，那么两个 Survivor 区就是 5M，整个新生代区就是 50M，然后可以算出 Old 区内存大小是 100M，堆区总大小就是 150M

3、创建对象的内存分配

• 创建一个新对象，在堆中分配内存
• 大部分情况下，对象会在 Eden 区生成，当 Eden 区装满时，会触发 Young Garbage Collection，即 YGC 垃圾回收时，在 Eden 区实现清除策略，没有被引用的对象直接被回收
• 依然存活的对象会被移送到 Survivor 区
• Survivor 区分为 s0 和 s1 两块内存区域，每次 YGC 的时候，将存活的对象复制到未使用的 Survivor 空间（s0 或 s1）,然后清空正在使用的空间，交换 s0 和 s1 的使用状态，每次交换时， 对象的Age+1
• 如果 YGC 要移送的对象大于 Survivor 区容量的上限，则直接移交给老年代
• 一个对象也不可能永远呆在新生代，在 JVM 中 一个对象从新生代晋升到老年代的阈值默认值是 15，可以在 Survivor区交换 14 次之后，晋升至老年代

堆区最容易出现的就是 OutOfMemoryError错误，这种错误的表现形式会有以下两种：

1. OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded ： 当 JVM花太多时间执行垃圾回收，并且只能回收很少的堆空间时，就会发生此错误。
2. OutOfMemoryError: Java heap space**：**假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发此错误。

此种情况，与配置的最大堆内存有关，且受制于物理内存大小。

六、元空间（Meta Space）

1、作用

用于存放 类信息、常量、静态变量、JIT 即时编译器编译后的机器代码等数据

例如：java.lang.Object类的元信息、Integer.MAX_VALUE常量等

2、发展历程

（1）JDK 1.6

HotSpot JVM 使用Method Area方法区存储，也叫永久代(Permanent Generation)。

1. 方法区和“永久代(Permanent Generation)”的区别：方法区是JVM 的规范，而永久代(Permanent Generation)是 JVM规范的一种实现，并且只有 HotSpot JVM才有永久代“Permanent Generation”，而对于其他类型的虚拟机，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM） 并没有；
2. 方法区是一片连续的堆空间，当JVM加载的类信息容量超过了最大可分配空间，虚拟机会抛出OutOfMemoryError:PermGenspace的Error。
3. 永久代的GC是和老年代(old generation)捆绑在一起的，无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。
4. 可以通过 -XX:PermSize=N 设置 方法区 (永久代) 初始空间，-XX:MaxPermSize=N 设置方法区 (永久代) 最大空间,超过这个值将会抛出错误：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

（2）JDK 1.7

将字符串常量池、静态变量转移到了堆区。

（3）JDK 1.8

正式移除永久代，采用 Meta Space 元空间替代

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的一种具体实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过运行参数来指定元空间的大小。

Java 8 中 PermGen永久代为什么被移出 HotSpot JVM？

• 由于 PermGen 内存经常会溢出，容易抛出 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen错误；
• 移除 PermGen 可以促进 HotSpot JVM 与 JRockit VM 的融合，因为 JRockit 没有永久代

**示例1：**不断的生成新的字符串，快速的消耗内存。通过 JDK 1.6、JDK 1.7 和 JDK 1.8 分别运行。

public class TestOOM {
  static String base = "ApeSource";
  public static void main(String[] args) {
    List<String> list = new ArrayList<String>();
    for (int i=0;i< Integer.MAX_VALUE;i++){
      String str = base + base;
      base = str;
      list.add(str.intern());
    }
  }
}
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上述运行结果可以看出，相同的代码，在JDK 1.6 会出现“PermGen Space”的永久代内存溢出，而在 JDK 1.7和 JDK 1.8 中，会出现"Java heap space"堆内存溢出，并且 JDK 1.8中 PermSize 和 MaxPermGen 参数已经无效。因此，在 JDK 1.7 和 JDK 1.8 中，已经将字符串常量由永久代转移到堆中，并且 JDK 1.8 中已经完全移除了永久代，采用元空间来代替。

**示例2：**在 JDK 8下重新运行一下运行测试代码TestOOM，指定 MetaSpaceSize 和 MaxMetaSpaceSize的大小，输出结果如下：

• -XX:MetaspaceSize**参数：主要控制Meta Space GC发生的初始阈值，也就是最小阈值，当使用的Meta Space 空间到达MetaspaceSize`**的时候，就会触发Metaspace的GC。
• -XX:MaxMetaspaceSize参数：最大空间，默认是没有限制的。在jvm启动的时候，并不会分配MaxMetaspaceSize这么大的一块内存出来，metaspace是可以一直扩容的，直到到达MaxMetaspaceSize

七、字符串常量池

1、字符串的两种创建方式

• 第一种方式是在常量池中获取字符串对象；
• 第二种方式是直接在堆内存空间创建一个新的字符串对象

// 先检查字符串常量池中有没有"abcd"，如果字符串常量池中没有，则创建一个，然后 str1 指向字符串常量池中的对象，如果有，则直接将 str1 指向"abcd"
String str1 = "apesource"; 
String str2 = new String("apesource"); //堆中创建一个新的对象
String str3 = new String("apesource"); //堆中创建一个新的对象

System.out.println(str1==str2); //false
System.out.println(str2==str3); //false
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2、intern() 方法

• 检查指定字符串在常量池中是否存在？如果存在，则返回地址，如果不存在，则在常量池中创建

String s1 = new String("Apesource");
String s2 = s1.intern(); // 查看字符串常量池中是否存在"Apesource"，如果存在则返回地址，如果不存在，则在常量池中创建
String s3 = "Apesource"; // 使用常量池中的已有字符串常量"Apesource"

System.out.println(s2 == s3); // true，地址相同
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3、String 的拼接

String str1 = "str";
String str2 = "ing";

String str3 = "str" + "ing"; // 常量池中的新字符串对象
String str4 = str1 + str2; // 在堆中创建的新字符串对象
String str5 = "string"; // 常量池中的已有字符串对象

System.out.println(str3 == str4); //false
System.out.println(str3 == str5); //true
System.out.println(str4 == str5); //false
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• String s1 = new String("abc");这句代码创建了几个字符串对象？

创建 1 或 2 个字符串。如果常量池中已存在字符串常量“abc”，则只会在堆空间创建一个字符串常量“abc”

如果常量池中没有字符串常量“abc”，那么它将首先在池中创建，然后在堆空间中创建，因此将创建总共2 个字符串对象