【图文详解系列】JVM 内存模型

内存模型

（1）线程私有区：

• 进程计数器，记录正在执行的虚拟机字节码的地址；
• 虚拟机栈：方法执行的内存区，每个方法执行时会在虚拟机栈中创建栈帧；
• 本地方法栈：虚拟机的Native方法执行的内存区；

（2）线程共享区：

• Java堆：对象分配内存的区域；
• 方法区：存放类信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等数据；
  • 常量池：存放编译器生成的各种字面量和符号引用，是方法区的一部分。 详细模型

进程计数器PC

进程计数器PC，当前线程所执行的字节码行号指示器。每个线程都有自己计数器，是私有内存空间，该区域是整个内存中较小的一块。

当线程正在执行一个Java方法时，PC计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码的地址；当线程正在执行的一个Native方法时，PC计数器则为空（Undefined）。

虚拟机栈

虚拟机栈，生命周期与线程相同，是Java方法执行的内存模型。每个方法(不包含native方法)执行的同时都会创建一个栈帧结构，方法执行过程，对应着虚拟机栈的入栈到出栈的过程。

栈帧(Stack Frame)结构

栈帧是用于支持虚拟机进行方法执行的数据结构，是属性运行时数据区的虚拟机站的栈元素。见上图， 栈帧包括：

1. 局部变量表 (locals大小，编译期确定)，一组变量存储空间， 容量以slot为最小单位。
2. 操作栈(stack大小，编译期确定)，操作栈元素的数据类型必须与字节码命令序列严格匹配
3. 动态连接， 指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，为了 动态连接使用。
   • 前面的解析过程其实是静态解析；
   • 对于运行期转化为直接引用，称为动态解析。
4. 方法返回地址
   • 正常退出，执行引擎遇到方法返回的字节码，将返回值传递给调用者
   • 异常退出，遇到Exception,并且方法未捕捉异常，那么不会有任何返回值。
5. 额外附加信息，虚拟机规范没有明确规定，由具体虚拟机实现。

Java堆

Java堆，是Java虚拟机管理的最大的一块内存，也是GC的主战场，里面存放的是几乎所有的对象实例和数组数据。JIT编译器有栈上分配、标量替换等优化技术的实现导致部分对象实例数据不存在Java堆，而是栈内存。

• 从内存回收角度，Java堆被分为新生代和老年代；这样划分的好处是为了更快的回收内存；
• 从内存分配角度，Java堆可以划分出线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)；这样划分的好处是为了更快的分配内存；

对象创建的过程是在堆上分配着实例对象，那么对象实例的具体结构如下：

对于填充数据不是一定存在的，仅仅是为了字节对齐。HotSpot VM的自动内存管理要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。对象头本身是8的倍数，当对象的实例数据不是8的倍数，便需要填充数据来保证8字节的对齐。该功能类似于高速缓存行的对齐。

另外，关于在堆上内存分配是并发进行的，虚拟机采用CAS加失败重试保证原子操作，或者是采用每个线程预先分配TLAB内存.

对象分配规则

• 对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间时，虚拟机执行一次Minor GC。
• 大对象直接进入老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。
• 长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，直到达到阀值对象进入老年区。
• 动态判断对象的年龄。如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代。
• 空间分配担保。每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC,如果false则进行Full GC。

参考资料

1. http://gityuan.com/2016/01/09/java-memory/
2. http://blog.csdn.net/universe_ant/article/details/58585854
3. Java —— 运行时栈帧结构
4. https://www.dazhuanlan.com/2019/12/07/5deaf86336d1d/