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基础篇:JVM运行时内存布局

1 JVM的内存区域布局

  • java代码的执行步骤有三点
    • java源码文件->编译器->字节码文件
    • 字节码文件->JVM->机器码
    • 机器码->系统CPU执行
  • JVM执行的字节码需要用类加载来载入;字节码文件可以来自本地文件,可以在网络上获取,也可以实时生成。就是说你可以跳过写java代码阶段,直接生成字节码交由JVM执行
  • 其中Java虚拟机栈、程序计数器、Heap、本地方法栈、Metaspace属于JVM运行时的内存;按是否线程共享则可以分两类
  • JAVA堆和MetasSpace元空间属于线程共享的;虚拟机栈和本地方法栈、程序计数器是线程私有的

2 JVM五大数据区域介绍

  • 2.1 程序计数器(Progarm Counter Register)
    • 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。线程有一个独属的程序计数器,字节码解析工作时需要程序计数器来选取下一指令,分支、循环、跳转等依赖它
    • 正在执行java方法线程的计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址;如果还是Native方法,则为空
    • 程序计数器内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何OutOfMemoryError错误的区域
  • 2.2 虚拟机栈(Virtual Machine Stack)
  • Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息
  • 每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程
  • 栈帧是用来存储数据和部分过程结果的数据结构,同时也被用来处理动态链接(Dynamic Linking)、 方法返回值和异常分派(Dispatch Exception)。栈帧随着方法调用而创建,随着方法结束而销毁(无论方法是正常完成还是异常完成)
  • 如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许深度,则抛出StackOverflowError;扩展时无法申请到足够内存,则抛出OutOfMemeryError
  • 2.3 本地方法栈(Native Method Stack)
    • 本地方法栈和虚拟机栈作用类似,区别是虚拟机栈为执行Java方法服务,而本地方法栈则为Native方法服务。(HopShot的实现 直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一)
  • 上述3类区域,生命周期与Thread相同,即:线程创建时,相应的内存区创建,线程销毁时,释放相应内存
  • 2.4 堆(Heap)
    • 线程共享的一块内存区域,几乎所有的对象实例在这里分配内存,也是垃圾收集器进行垃圾收集的最重要的内存区域。因此很多时候也叫GC堆
    • 线程私有的分配缓存区(Thread Local Alloaction Buffer)也是在堆划分出来的
    • JDK8的版本,因使用元空间代替永久代,字符串常量池和类的静态变量也放入java堆中
  • 2.5 元空间(MetaSpace)
    • 主要存储类的元数据,比如类的各种描述信息,类名、方法、字段、访问限制等,既编译器编译后的代码等数据
    • 运行时常量池:Class文件中除了有类的版本、字段、方法等描述等信息外;还有一项信息是常量池,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分将在类加载后存放到元空间的运行时常量池中
  • 使用元空间代替永久代原因
    • 永久代的大小是在启动时固定好的,很难进行调优;太大则容易导致永久代溢出;太小在运行时,容易抛出OutOfMemeryError
    • 字符串存在永久代中,使用时易出问题,由于永久代内存经常不够用,爆出异常OutOfMemoryError: PermGen
  • CodeCache
    • JVM生成的native code存放的内存空间称之为Code Cache;JIT编译、JNI等都会编译代码到native code,其中JIT生成的native code占用了Code Cache的绝大部分空间
  • 直接内存
    • 它并不是虚拟机运行时数据区的一般分,也不在规范定义。JDK1.4,引入了Channel(通道)与Buffer(缓存区)的I/O方式,它可以使用Native函数分配堆外内存,可通过DirectByteBuffer操作。

3 JVM运行时内存布局和JMM内存模型区别

  • JVM内存区域是指JVM运行时将内存数据分区域存储,强调对内存空间的划分
  • JAVA内存模型是Java语言在多线程并发情况下对于共享变量内存操作的规范:解决变量在多线程的可见性、原子性的问题

4 JMM内存模型交互操作

  • 内存交互操作有八种,虚拟机的实现保证每一个操作都是原子性的
    • lock(锁定):作用于主内存的变量,标识变量为线程独占状态
    • unlock(解锁):作用于主内存的变量,释放一个处于锁定状态的变量,释放后的变量才可以被其他线程锁定
    • read(读取):作用于主内存变量,从主内存中读取出后面load操作要用到的变量
    • load(载入):作用于主内存中的变量,把刚才read的值放入工作内存的副本中
    • use(使用):作用于工作内存中的变量,当线程执行某个字节码指令需要用到相应的变量时,把工作内存中的变量副本传给执行引擎
    • assign(赋值):作用于工作内存中的变量,把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
    • store(存储):作用于工作内存中的变量,把工作内存中的变量送到主内存,给后续的write使用
    • write(写入):作用于主内存中的变量,把store的工作内存中的变量值,写入主内存中
  • read和load 好像是相同的操作?各位有何高见,请指教下
  • JMM对这八种指令的使用,制定了如下规则
    • read和load、store和write必须顺序执行,而且两个指令绑定出现;就是说出现read就要有load
    • 不允许一个线程丢弃最近的assign操作,工作内存中的变量改变后,必须write同步到主内存
    • 不允许一个线程把没有发生assign操作的变量同步到主内存
    • 新的变量必须诞生于主内存,不允许工作内存使用一个没有初始化的变量;use、store操作变量之前,必须经过load和assign操作
    • 变量同一时刻只允许一个线程对其lock,该线程可以对该变量加锁多次,释放锁需要执行相同次数的unlock,lock和unlock要成对出现
    • 一个变量没有lock,不能unlock;并且一个线程不能unlock被其他线程锁住的变量
    • 执行unlock前,必须把工作内存中的变量同步到主内存中
    • 执行lock操作,需要清空工作内存(所有),并且需要使用该变量之前,要重新执行load和assign操作

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参考文章

  • 深入理解Java虚拟机
  • JVM之内存布局超详细整理[1]
  • Metaspace 之一:Metaspace整体介绍[2]

参考资料

[1]

JVM之内存布局超详细整理: https://blog.csdn.net/mayfly_hml/article/details/102805030

[2]

Metaspace 之一:Metaspace整体介绍: https://www.cnblogs.com/duanxz/p/3520829.html

本文分享自微信公众号 - 潜行前行(qianxingcsc),作者:cscw

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原始发表时间:2020-08-18

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