JAVA内存结构解析

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Java内存结构大体示意图:

程序计数器

  程序计数器(Program Counter Register)是JVM中一块较小的内存区域,保存着当前线程执行的虚拟机字节码指令的内存地址。Java多线程的实现,其实是通过线程间的轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何时刻,处理器都只会执行一个线程中的指令。在多线程场景下,为了保证线程切换回来后,还能恢复到原先状态,找到原先执行的指令,所以每个线程都会设立一个程序计数器,并且各个线程之间不会互相影响,程序计数器为"线程私有"的内存区域。

  如果当前线程正在执行Java方法,则程序计数器保存的是虚拟机字节码的内存地址,如果正在执行的是Native方法(非Java方法,JVM底层有许多非Java编写的函数实现),计数器则为空。程序计数器是唯一一个在Java规范中没有规定任何OutOfMemory场景的区域。

虚拟机栈

  虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)和线程是紧密联系的,每创建一个线程时就会对应创建一个Java栈,所以Java栈也是"线程私有"的内存区域,这个栈中又会对应包含多个栈帧,每调用一个方法时就会往栈中创建并压入一个栈帧,栈帧是用来存储方法数据和部分过程结果的数据结构,每一个方法从调用到最终返回结果的过程,就对应一个栈帧从入栈到出栈的过程。

  虚拟机栈是一个后入先出的数据结构,线程运行过程中,只有一个栈帧是处于活跃状态的,被称为"当前活动帧栈",当前活动帧栈始终是虚拟机栈的栈顶元素。

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本地方法栈

  本地方法栈(Native Method Stack)和虚拟机栈的作用相似,不过虚拟机栈是为Java方法服务的,而本地方法栈是为Native方法服务的。

方法区

  方法区(Method Area)是用于存储类结构信息的地方,包括常量池、静态变量、构造函数等类型信息,类型信息是由类加载器在类加载时从类文件中提取出来的。

  方法区同样存在垃圾收集,因为用户通过自定义加载器加载的一些类同样会成为垃圾,JVM会回收一个未被引用类所占的空间,以使方法区的空间达到最小。

  方法区中还存在着常量池,常量池包含着一些常量和符号引用(加载类的连接阶段中的解析过程会将符号引用转换为直接引用)。

  方法区是线程共享的。

  堆(heap)是存储java实例或者对象的地方,是GC的主要区域,同样是线程共享的内存区域。

实例分析:

public class JVMTest {//类加载时将类信息放在方法区内,堆内生成java.lang.class对象,持有指向方法区该类的引用
	
	/*
	 * i1,i2都为Integer对象的引用,线程运行时放在java栈中新建的帧栈中
	 * 该两个引用执行堆中的Integer实例的引用,而两实例在堆中的地址是不同的,所以,i1==i2返回false
	 */
	static Integer i1=new Integer(1);
	static Integer i2=new Integer(1);
	
	/*
	 * a,b引用同样放在java栈中帧栈中,指向常量池中的同一内存空间,所以,a==b返回true
	 */
	static Integer a=1;
	static Integer b=1;
	
	public static void main(String[] args){//main方法放入方法区
		/**
		 * stu是对student对象的引用,放入栈中,指向堆中对象的内存地址。
		 * new出来的student对象放在堆中,并持有方法区中student类型信息的引用
		 */
		Student stu=new Student("jialimin");
		/**
		 * 执行add方法时,根据java栈中stu定位到堆中的对象实例,再根据堆中持有的位于方法区的student类型信息,获得add()
		 * 字节码,执行此方法执行,打印出结果
		 */
		stu.add();
	}
}

class Student{
	public String name;
	public Student(String name){
		this.name=name;
	}
	public void add(){
		System.out.println(name);
	}
}

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  上面main方法中运行的程序过程如下:

  (1)用户创建了一个Student对象,运行时JVM首先会去方法区寻找该对象的类型信息,没有则使用类加载器classloader将Student.class字节码文件加载至内存中的方法区,并将Student类的类型信息存放至方法区。

  (2)接着JVM在堆中为新的Student实例分配内存空间,这个实例持有着指向方法区的Student类型信息的引用,引用指的是类型信息在方法区中的内存地址。

  (3)在此运行的JVM进程中,会首先起一个线程跑该用户程序,而创建线程的同时也创建了一个虚拟机栈,虚拟机栈用来跟踪线程运行中的一系列方法调用的过程,每调用一个方法就会创建并往栈中压入一个栈帧,栈帧用来存储方法的参数,局部变量和运算过程的临时数据。上面程序中的stu是对Student的引用,就存放于栈中,并持有指向堆中Student实例的内存地址。

  (4)JVM根据stu引用持有的堆中对象的内存地址,定位到堆中的Student实例,由于堆中实例持有指向方法区的Student类型信息的引用,从而获得add()方法的字节码信息,接着执行add()方法包含的指令。

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