【Java】虚拟机（JVM）内存模型全解析

JVM 虚拟机在执行 Java 程序的过程中，会把它管理的内存划分成若干个不同的区域，每个区域有各自的不同的用途、创建方式及管理方式。有些区域随着虚拟机的启动一直存在，有些区域则随着用户线程的启动和结束而建立和销毁，这些共同组成了 Java 虚拟机的运行时数据区域 ，也被称为JVM内存模型。

一、运行时数据区域划分

JVM 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域。由方法区、堆区、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器五部分组成。

版本的差异：

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)。

其中虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有的区域，所以随着线程消亡而结束 。而线程共享的 Heap 堆区、 Metaspace 元空间会随着虚拟机的启动，一直存在。

二、程序计数器

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。

程序计数器主要作用

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，恢复当前线程的执行。

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

虚拟机栈是线程执行 Java 程序时，处理 Java 方法中内容的内存区域。虚拟机栈也是线程私有的区域，每个 Java方法被调用的时候，都会在虚拟机栈中创建出一个栈帧，而每个栈帧又由局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返回四部分组成，有些虚拟机的栈帧还包括了一些附加信息。

JVM 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 JVM 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( boolea、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)。

1. 虚拟机运行原理

每一次方法调用都会有一个对应的栈帧被压入 JVM 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 JVM Stack 虚拟机栈中弹出。虚拟机栈是线程的私有区域，并且栈帧不允许被其他线程访问，所以不存在线程安全问题，栈帧弹出后就内存就会被系统回收，所以不也存在垃圾回收问题。

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。

2. 活动栈被弹出的方式

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

3. 虚拟机栈可能产生的错误

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 异常。

4. 虚拟机栈的大小

虚拟栈的大小可以通过 -Xss 参数设置，默认单位是 byte，也可以使用k，m，g作为单位(不区分大小写)。例如：-xss 1m

在不同操作系统下的 -xss 默认值不同：

Linux：1024k
MacOs：1024k
Windows：默认值依赖于虚拟机的内存

四、本地方法栈

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 堆区，用于存放对象实例 和数组的内存区域。

Heap 堆区，是 JVM所管理的内存中最大的一块区域，被所有线程共享的块内存区域。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。

1. 堆区的组成：新生代+老生代

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思想，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。

堆区的组成分为新生代(Young Generation)、老年代(Old Generation)。新生代被分为伊甸区(Eden)和幸存者区(from+to)，幸存区又被分为Survivor 0 (from)和Survivor 1 (to)。

新生代和老年代比例为1:2 ，伊甸区和s0、S1比例为 8:1:1 ，不同区域存放对象的用途和方式不同:

（1）伊甸区( Eden)：存放大部分新创建对象。

（2）幸存区 (Survivor)：存放 Minor Gc 之后，Eden 区和幸存区( Survivor)本身没有被回收的对象。

（3）**老年代：**存放 Minor Gc 之后且年龄计数器达到 15 依然存活的对象、 Major GC 和 Full GC 之后仍然存活的对象。

2. 堆空间的大小设置

堆区的内存大小是可修改的，默认情况下，初始堆内存为物理内存的 1/64，最大为物理内存的 1/4。

-xms：设置初始堆内存，例如：-Xms64m
-Xmx：设置最大堆内存，例如：-Xmx64m
-Xmn：设置新生代内存，例如：-Xmx32m

3. 创建对象的内存分配

创建一个新对象，在堆中的分配内存。

大部分情况下，对象会在Eden区生成，当den 区装填满的时候，会触发 Young Garbage collection，即 YGC 垃圾回收的时候，在 Eden 区实现清除策略，没有被引用的对象则直接回收。

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 Gc 的时候，它们将存活的对象复制到未使用的 Survivor空间(s0 或 s1)，然后将当前正在使用的空间完全清除，交换两块空间的使用状态。每次交换时，对象的年龄会加 +1。

如果 YGC 要移送的对象大于 Survivor 区容量的上限，则直接移交给老年一个对象也不可能永远呆在新生代，在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。

4. 堆区产生的错误

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。

六、字符串常量

1. String 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

2. String 的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。

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

4. 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。