一、 JVM内存模型总体架构图:

 方法区和堆由所有线程共享,其他区域都是线程私有的

二、 JVM内存模型的结构分析:

1. 类装载器(classLoader)

类装载器,它是在java虚拟机中用途是把类从本地文件中装载到系统内存(运行时数据区)中。

类装载器装载本地文件到系统内存中的步骤:

  • 装载 :查找并装载类的二进制数据。

  • 链接 :执行验证 准备 解析(非必要)。

  • 初始化 :把类型变量初始化为正确的变量。

2. 运行时数据区

(1)方法区(Method Area)

  用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等信息。

方法区是线程间共享的,当两个线程同时需要加载一个类型时,只有一个类会请求ClassLoader加载,另一个线程会等待。

对于每一个加载的类型,会在方法区中保存以下信息:

  • 类及其父类的全限定名(java.lang.Object没有父类)
  • 类的类型(Class or Interface)
  • 访问修饰符(public, abstract, final)
  • 实现的接口的全限定名的列表
  • 常量池
  • 字段信息
  • 方法信息
  • 除常量外的静态变量
  • 一个到ClassLoader的引用
  • 一个到Class类的引用

对于每一个字段,会在方法区中保存以下信息(字段声明顺序也会保存):

  • 字段名
  • 字段的类型
  • 字段的修饰符(public, private , protected, static, final, volatile, transient)

对于每一个方法,会在方法区中保存以下信息(方法声明顺序也会保存):

  • 方法名
  • 方法返回类型(或void)
  • 参数信息
  • 方法修饰符(public, private, protected , static, final, synchronized, native, abstract)

如果方法不是抽象方法并不是本地方法(Native Method),还会保存以下信息:

  • 方法的字节码
  • 本地变量表及操作数栈的大小
  • 异常表

(2)堆(Heap)

   虚拟机中用于存放对象与数组实例的地方,垃圾回收的主要区域就是这里(还可能有方法区)。如果垃圾收集算法采用按代收集(目前大都是这样),这部分还可以细分为新生代和老年代。新生代又可能分为Eden区,From Survivor区和To Survivor区,主要是为了垃圾回收。所有的线程共享Java堆,在这里还可以划分线程私有的缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。Java堆只要求逻辑上是连续的,在物理空间上可以不连续。

新生代用于存放刚创建的对象以及年轻的对象,如果对象一直没有被回收,生存得足够长,老年对象就会被移入老年代。
新生代又可进一步细分为eden、survivorSpace0(s0,from space)、survivorSpace1(s1,to space)。刚创建的对象都放入eden,s0和s1都至少经过一次GC并幸存。如果幸存对象经过一定时间仍存在,则进入老年代(tenured)。

(3)程序计数器(Program Couter Register)

  它总是指向下一条要执行的指令地址。

      类似于PC寄存器,是一块较小的内存区域,通过程序计数器中的值寻找要执行的指令的字节码,由于多线程间切换时要恢复每一个线程的当前执行位置,所以每个线程都有自己的程序计数器。这一个区域不会有OutOfMemeryError。当执行Java方法时,这里存储的执行的指令的地址,如果执行的是本地方法,这里的值是Undefined。

 

(4)虚拟机栈(VM Stack)

  虚拟机栈是线程私有的,每创建一个线程,虚拟机就会为这个线程创建一个虚拟机栈,虚拟机栈表示Java方法执行的内存模型,每调用一个方法,就会生成一个栈帧(Stack Frame)用于存储方法的本地变量表、操作栈、方法出口等信息,当这个方法执行完后,就会弹出相应的栈帧。

  如果请求的栈的深度过大,虚拟机可能会抛出StackOverflowError异常,如果虚拟机的实现中允许虚拟机栈动态扩展,当内存不足以扩展栈的时候,会抛出OutOfMemoryError异常。

 

(5)栈帧(Stack Frame)

     栈帧分为三部分:局部变量区(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)和帧数据区(Frame Data)。

• 局部变量区(Loca Variables)

     局部变量区包含方法的参数和局部变量。局部变量区被组织一个一个从0开始的字数组,byte、short、char在存储前被转换为int,boolean也被转换为int,0表示false,非0表示true,long和double占据两个字长。

• 操作数栈(Operand Stack)

     操作数栈相当于cpu的通用寄存器,java虚拟机没有pc寄存器,而是使用栈,Java指令所使用操作数都是从操作数栈中得到。操作数栈也被组织为一个字数组,但不同于局部变量区,它不是通过数组下标访问的,而是能过栈的Push和Pop操作,前一个操作Push进的数据可以被下一个操作Pop出来使用。

• 帧数据区(Frame Data)

    通常它都被用来实现常量池解析和异常处理等。

这部分的作用主要有三部分:

  • 常量池中数据的解析

  • 方法执行完后处理方法返回,恢复调用方现场

  • 方法执行过程中抛出异常时的异常处理,存储有一个异常表,当出现异常时虚拟机查找相应的异常表看是否有对应的Catch语句,如果没有就抛出异常终止这个方法调用

(6)本地方法栈(Native Method Stack)

和虚拟机栈功能相似,但管理的不是JAVA方法,是本地方法,本地方法是用C实现的。

任何本地方法接口都会使用本地方法栈

Java调用本地方法和Java方法的执行示例:

(7)直接内存

       直接内存并不是虚拟机内存的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。jdk1.4中新加入的NIO,引入了通道与缓冲区的IO方式,它可以调用Native方法直接分配堆外内存,这个堆外内存就是本机内存,不会影响到堆内存的大小。

3. 执行引擎

  把内存中的数据根据指令集合执行对应的操作。

三、小结:

1. 方法区和堆区是线程间共享的

(1)所有的jvm实例都有一个方法区和堆区,它们是jvm实例中所有的线程共享的,所以其中的数据要考虑到锁的问题。

(2)如果两个线程同时用到一个对象,并且该对象没有加载到内存中,那么只能有一个线程来加载该类,另一个线程等待。

2. Java栈和PC寄存器是线程内共享的

3. 对象的访问

首先我们看这样一句简单的代码:

 Object obj = new Object();

       假设上面这句代码出现在方法体中,其中"Object obj" 这部分的语义将会反映到Java栈的本地变量表中,作为一个引用类型数据出现。而"new Object()"这部分的语义将会反映到Java堆之中,形成一块存储了Object类型所有实例数据值(Instance Data:对象中各个实例字段的数据)的结构化内存。根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布局(Object Memory Layout)的不同,这块内存的长度是不固定的。

       另外,在Java堆中还必须包含能查找此对象类型数据(如:对象类型,父类,实现接口,方法等)的地址信息,这些类型数据则存储在方法区之中。

(1)使用句柄访问方式:Java堆之中将会划分一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息,如图:

(2)直接指针访问方式:reference变量中直接存储的就是对象的地址,而java堆对象一部分存储了对象实例数据,另外一部分存储了对象类型数据。如图:

这两种访问对象的方式各有优势,使用句柄访问方式最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址,在对象移动时只需要改变句柄中的实例数据指针,而reference不需要改变。使用指针访问方式最大好处就是速度快,它节省了一次指针定位的时间开销,就虚拟机而言,它使用的是第二种方式(直接指针访问)。

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