JVM 虚拟机 ----＞ Java 内存模型（JMM）

文章目录

- [Java 内存模型（JMM）](#Java 内存模型（JMM）)
- - 一、运行时数据区域划分
  - [二、程序计数器（Program Counter Register）](#二、程序计数器（Program Counter Register）)
  - - 计数器的作用
  - [三、Java 虚拟机栈（VM Stack）](#三、Java 虚拟机栈（VM Stack）)
  - [四、本地方法栈（Native Method Stack）](#四、本地方法栈（Native Method Stack）)
  - 五、堆（Heap）
  - [六、元空间（Meta Space）](#六、元空间（Meta Space）)
  - - 1、作用
    - 2、发展历程
    - - [（1）JDK 1.6](#（1）JDK 1.6)
      - [（2）JDK 1.7](#（2）JDK 1.7)
      - [（3）JDK 1.8](#（3）JDK 1.8)
  - 七、字符串常量池
  - - 1、字符串的两种创建方式
    - [2、intern() 方法](#2、intern() 方法)
    - [3、String 的拼接](#3、String 的拼接)

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

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
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
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：

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。
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)。

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；
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。
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。
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。

java 复制代码

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());
    }
  }
}

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

java 复制代码

// 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

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

java 复制代码

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

3、String 的拼接

java 复制代码

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

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