圖文詳解JAVA虛擬機器相關知識－JVM記憶體模型

最近在看一本很經典的java書：《深入理解java虛擬機 第二版》，幾年前也看過，但那時候火候不夠，看的雲裡霧裡的就沒看了。現在回過頭來看，發現確實寫的很好，很多知識點都能理解了，而且講的也很有深度，收穫頗多。後期計畫依照這本書的內容寫出一系列文章，來深入學習和複習下java虛擬機器相關的知識。

上週末搬家後，家裡的寬頻一直沒弄好，跟電信客服反映了N遍了終於約了個師傅明天早上來遷移寬頻，可以結束一個多星期沒網的痛苦日子了。這段時間也是各種忙，都一個星期沒更新博客了，再不寫之前那種狀態和激情都要慢慢褪去了，總覺得心裡慌的一逼，這怎麼行呢？ ！趁著明天週末，在公司電腦上記錄下這週的一些學習內容。

一、JVM記憶體模型概述

JVM記憶體模型其實還蠻簡單的，這裡先提2個知識點：

1、組成：java堆，java棧（即虛擬機器棧），本地方法棧，方法區和程式計數器。

2、是否共享：其中方法區和堆區是線程共享的，虛擬機棧，本地方法棧和程式計數器是線程私有的，也稱為線程隔離的，每個區域儲存不同的內容。這2個知識點必須牢記，是掌握JVM記憶體模型的基礎。

二、程式計數器

JVM中的程式計數器是一塊很小的記憶體區域，但是這塊記憶體區域挺有意思的。主要特性有3個：

1、儲存內容：對於java普通方法（即沒用native關鍵字修飾的方法），儲存的是執行過程中目前指令的位址，而對於native方法，這裡是空的（undefined），為啥呢？因為呼叫本地方法的時候可能已經超出了JVM虛擬機器的記憶體位址了。

2、執行緒私有的：為什麼程式計數器是執行緒私有的？根據儲存內容也好理解，假如是線程共享的，那多個線程執行的時候，都不知道自己當前線程執行的地址是哪個了，有的線程快，有的線程慢，快的執行完就進入下一步，等慢的執行緒執行完回來發現自己的位址都變了，豈不亂套？

3、是JVM中唯一不會報記憶體溢出（OutOfMemoryError）的區域。

三、虛擬機棧

虛擬機棧主要儲存的是一個個棧幀，每個棧幀中儲存的是局部變數表，操作數棧，動態鏈接和方法出口資訊等。其中局部變數表中儲存的是方法中定義的一些局部變量，物件的引用，參數，和方法的返回地址等。局部變數表所佔用的空間大小在編譯期間就能確定，在方法運作的時候，並不會改變局部變數表的空間大小，這結合局部變數表儲存的內容就很好理解。操作數棧可以理解為對目前操作的資料入出棧，對於64位元長度的long和double類型，每個操作數佔用2個字寬（slot），其他類型的操作數佔用一個字寬（slot）。每個方法呼叫時都會建立一個棧幀，執行的過程對應的就是一個棧幀在虛擬機器棧中從入棧到出棧的過程。有關堆疊幀的內容可以參考一個網友寫的一篇部落格：https://blog.csdn.net/xtayfjp...，講的很好很詳細。這裡放個棧幀的圖，看了一目了然。

關於虛擬機器堆疊記憶體溢出有2種情況：

#1、執行緒請求的堆疊深度超過了虛擬機器允許的深度，會拋出StackOverflowError，所以當我們在程式碼中看到這個異常時，就應該想到可能是虛擬機器堆疊出了問題。

2、如果虛擬機棧可以動態擴展（目前大部分JVM都可以動態擴展，不過JVM也允許固定長度的虛擬機棧），當擴展時無法申請到足夠的記憶體時，會拋出OutOfMemoryError異常。

四、本地方法堆疊

這塊知識點比較簡單，本地方法堆疊和虛擬機器堆疊的功能類似，只不過是為JVM呼叫native方法時服務的，而且JVM對本機方法使用的語言（例如Java呼叫C語言實作的功能，就需要定義native方法來實作）、使用方式和資料結構都沒有強制規定，因此不同的虛擬機器可以自由實作。而且HotSpot虛擬機直接把本機方法棧和虛擬機器棧合而為一。與虛擬機器堆疊類似，本地方法堆疊也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

五、方法區

方法區是一個比較重要的區域，java虛擬機規格中把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是為了和Heap（堆區）對應，也稱Non-Heap（非堆區）。主要儲存的是靜態變量，常數（包括運行時常數），類別的載入資訊和java編譯後的程式碼。這部分空間不需要連續，可以選擇固定大小和可擴展，通常在這部分是沒有GC的，因為GC回收的都是些靜態變量，常量和類的加載信息，這些對象回收效果通常不盡人意，因此可以選擇不實現垃圾回收。這塊區域也稱為持久代，當這塊記憶體不足時，也會報OutOfMemoryError異常。

六、堆區

Java堆區是JVM記憶體中最胖的一塊區域，因為這裡儲存的都是物件的實例和陣列物件。這塊區域是線程共享的，在JVM啟動時就會創建，想想如果這麼大的空間是線程私有的，那內存不得爆掉嗎？依照java虛擬機器規範，堆區的內容可以物理上不連續，只要邏輯上連續即可，在實現時可以是固定大小的，也可以是可擴展的，而且通常都是可擴展的，我們常用的記憶體參數-Xms和-Xmx就是用來調節堆大小的。 java堆區依生命週期不同，分為新生代和老年代。新生代又可以細分為Eden和Survivor區，而Survivor又可以細分為Survivor1和Survivor2，這兩者通常只使用其中一塊，另一塊用來GC時保留存活的物件。大部分的new出來的對像都是存放在Eden區，如果是大對象，比如一個很大的數組或者List對象，可以透過JVM參數-XX:PretenureSizeThreshold將超過指定大小的對象直接存入到老年代，要注意的是，寫程式時應該盡量避免朝生夕死的大物件進入老年代，因為比起年輕代的GC，老年代GC的成本較大。 Eden和Survivor的預設大小比值的8:1:1，新生代預設的GC演算法是複製演算法。老年代的預設GC演算法是標記整理法。關於這2種GC演算法，會在下篇部落格講解。

當堆中沒有足夠記憶體時，會拋出OutOfMemoryError異常。關於堆區的記憶體模型，可以參考下面的圖片：

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