JVM内存结构

JVM内存结构

JVM的内存结构大致分为五个部分，分别是程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆和方法区。除此之外，还有由堆中引用的JVM外的直接内存。

下面将展开讲解这五个部分。

程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)，用于记录下一条JVM指令的执行地址（如果正在执行的是本地方法则为空）。例如下图中的JVM指令，当我执行到地址为0的指令时，程序计数器就会存下下一条指令的地址，也就是地址3。

要注意的是，程序计数器时线程私有的，每一个线程都有一个程序计数器，只有这么设计，当CPU因为时间片轮转等原因切换线程的时候，才能保存当前线程的执行进度。
同时，程序计数器不会存在内存溢出。

虚拟机栈

每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈。

每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存，用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。

从方法调用直至执行完成的过程，对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中入栈和出栈的过程。

可以通过 -Xss 这个虚拟机参数来指定每个线程的 Java 虚拟机栈内存大小，在 JDK 1.4 中默认为 256K，而在 JDK 1.5+ 默认为 1M：

java -Xss2M HackTheJava
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虚拟机栈可能抛出的异常：

• 当线程请求的栈深度超过最大值，会抛出 StackOverflowError 异常，这种异常在无停止条件的递归情况下会发生
• 栈进行动态扩展时如果无法申请到足够内存，会抛出 OutOfMemoryError 异常。

本地方法栈

本地方法栈与 Java 虚拟机栈类似，它们之间的区别只不过是本地方法栈为本地方法服务。

本地方法一般是用其它语言（C、C++ 或汇编语言等）编写的，并且被编译为基于本机硬件和操作系统的程序，对待这些方法需要特别处理。

堆

所有对象都在这里分配内存，是垃圾收集的主要区域（“GC 堆”）。

现代的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法，其主要的思想是针对不同类型的对象采取不同的垃圾回收算法。可以将堆分成两块：

• 新生代（Young Generation）
• 老年代（Old Generation）

堆不需要连续内存，并且可以动态增加其内存，增加失败会抛出 OutOfMemoryError 异常。

可以通过 -Xms 和 -Xmx 这两个虚拟机参数来指定一个程序的堆内存大小，第一个参数设置初始值，第二个参数设置最大值。

java -Xms1M -Xmx2M HackTheJava
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方法区

用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

和堆一样不需要连续的内存，并且可以动态扩展，动态扩展失败一样会抛出 OutOfMemoryError 异常。

对这块区域进行垃圾回收的主要目标是对常量池的回收和对类的卸载，但是一般比较难实现。

HotSpot 虚拟机把它当成永久代来进行垃圾回收。但很难确定永久代的大小，因为它受到很多因素影响，并且每次 Full GC 之后永久代的大小都会改变，所以经常会抛出 OutOfMemoryError 异常。为了更容易管理方法区，从 JDK 1.8 开始，移除永久代，并把方法区移至元空间，它位于本地内存中，而不是虚拟机内存中。

方法区是一个 JVM 规范，永久代与元空间都是其一种实现方式。在 JDK 1.8 之后，原来永久代的数据被分到了堆和元空间中。元空间存储类的元信息，静态变量和字符串常量池等放入堆中。

JDK1.6及以前

JDK1.7

JDK1.8

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。

常量池，就是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息。

运行时常量池，常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址。

除了在编译期生成的常量，还允许动态生成，例如 String 类的 intern()。

例如下图，就是main函数进行System.out.println(“hello world”)时的JVM指令和运行时常量池。JVM指令后面的“#”地址对应着常量池里的类名、方法引用、字面量等的地址，从而成功执行指令。

字符串常量池

字符串常量池在1.6版本前放在方法区中，在1.7版本后放到了堆中。

• 常量池中的字符串仅是符号，第一次用到时才变为对象
• 利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象
• 字符串变量拼接的原理是StringBuilder （1.8）
• 字符串常量拼接的原理是编译期优化
• 可以使用 intern方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池
  • 1.8 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则并不会放入，如果没有则放入串池， 会把串池中的对象返回
  • 1.6 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则并不会放入，如果没有会把此对象复制一份， 放入串池，会把串池中的对象返回

直接内存

在 JDK 1.4 中新引入了 NIO 类，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过 Java 堆里的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在堆内存和堆外内存来回拷贝数据。

参考：https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/Java%20%E8%99%9A%E6%8B%9F%E6%9C%BA.md
https://blog.csdn.net/hu_zhi_chao/article/details/108433791
https://blog.csdn.net/fascinate_/article/details/113737923