Java的内存 - 内存模型

关于内存模型，很多人混淆了JVM规范和虚拟机的实现。这篇文章就是分析Java内存模型的规范和HotSpot虚拟机的实现。

关于内存回收的内容，放在《Java的内存 - 内存回收》中。

1. JVM内存规范

JVM 内存规范中定义内存包含五个区域：程序计数器、Java栈、Native栈、堆、方法区。
除了程序计数器，其他四个内存区域在内存不足时，都会出现 OutOfMemoryError。

1.1 程序计数器

作用：保存每个线程当前执行到的字节码的位置。
每个线程都有一个独立的程序计数器。只有执行 Java 方法时才保存字节码位置，如果是 Native 方法则值为 Undefined。

1.2 Java 栈

作用：描述当前线程 Java 方法的执行。
每个线程都有一个独立的Java栈。栈区由栈帧组成，每个方法都是一个栈帧。

栈帧的组成：

操作数栈：保存各指令的操作数；
指向运行时常量池的引用(动态链接)：保存当前函数在方法区中的地址；
方法返回地址；
其他附加信息；
局部变量表：存的是局部变量的引用和原子类型的值。在编译时就确定了每个方法需要分配多大的内存，运行期间不会改变；关于局部变量表的更多信息，见下一小节。

局部变量表：

局部变量表用来保存一个栈帧中的所有局部变量。
单位是 变量槽(Variable Slot)，每个变量槽都能容纳 boolean、byte、short、char、int、float、返回地址、引用 这8种类型的数据。double、long 占用两个 Slot 空间。
如果当前方法不是静态方法，那么局部变量表的第 0 位就是 this 指针。接下来是参数列表，之后是方法内定义的局部变量。
Slot 是可以重用的，复用节省了栈的空间，Slot 的重用可以影响内存回收。例如：

void func() {
    {
        byte[] image = new byte[1280 * 720 * 3];
    } 
    // 出了作用域后，image 可以被复用。
    int cover = 1; // 如果没有这句，image 占用的 Slot 没有被复用，image 不会被释放。
    System.gc();
}

在虚拟机的实现中，栈帧的上一个栈帧的操作数表和下一个栈帧的局部变量表可能会有重叠。

局部变量表的容量和操作数栈的大小在编译时就确定了
例如这个方法：

public static int sum(int a, int b) {
    int temp = a + b;
    return temp;
}

通过 javap -v 反编译后，得到：

public static int sum(int, int);
    descriptor: (II)I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=2
         0: iload_0
         1: iload_1
         2: iadd
         3: istore_2
         4: iload_2
         5: ireturn
      LineNumberTable:
        line 4: 0
        line 5: 4

其中 stack=2 表示操作数栈的深度是 2， locals=3 表示局部变量表的长度是3.

1.3 Native栈

作用：描述当前线程 native 方法的执行。和 Java 栈功能类似。部分虚拟机将本地方法栈和Java栈合并为一个（例如 HotSpot 虚拟机）。

1.4 堆

作用： 堆区用于存储对象实例本身和数组。
所有线程共享一个堆区。常听到的年轻代、老年代的说法，不属于JVM内存规范。它是在JVM使用分代垃圾回收器时对堆内存的分代描述。例如 HotSpot 的堆内存划分：

HotSpot虚拟机堆区内存划分.png

1.5 方法区

作用：存储已被虚拟机加载的类名、方法信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码、运行时常量池等数据。
方法区是被所有的线程共享的内存区域,是一个逻辑分区，在逻辑上保持独立，虚拟机在实现时可能会把方法区放在堆内存中（例如HotSpot虚拟机）。

运行时常量池：
不仅用于存放 class 文件常量池中的数据，还存放运行期间生成的常量，例如 String#intern() 方法生成的常量。

2. HotSpot 虚拟机

HotSpot VM 是 Java 虚拟机的绝对主流，除此之外还有 J9(IBM)、JRockit(Oracle) 等。Android 平台还有 Dalvik 和 Art（这两个虚拟机在内存区域划分上没有太多资料）。更多其他虚拟机参考维基百科：Java 虚拟机。
HotSpot 使用分代垃圾回收，常见的年轻代、老年代、永久代的划分方式就是 HotSpot 的实现，但这并不是 JVM 规范的一部分，J9、JRockit等虚拟机都没有永久代这个区域。
HotSpot 把内存分为堆区和非堆区两部分。

2.1 堆区

堆区分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generartion）。
大部分对象都在年轻代创建，少部分占内存很大的对象会直接在老年代中创建。

2.1.1 年轻代

组成：
由一个较大的伊甸园区（Eden Space）和两个较小的幸存者区（Survivor Space）组成。

伊甸园区：
保存新创建的对象。

幸存者区：
保存着至少经历过一个GC而幸存下来的对象。
又细分为幸存者1区(S1) 和幸存者2区(S2) 两块相同的区域，这样分为两部分是因为使用了复制垃圾回收算法。

2.1.2 老年代

老年代保存的是久经GC但还没有被回收的对象。通常是从幸存者区移动来的对象。

2.2 非堆区

2.2.1 代码缓存区

JIT编译器生成的代码放在这个区域。

2.2.2 永久代

永久代对应内存规范中的方法区，即保存类信息等。
方法区是一个逻辑上独立的分区，HotSpot虚拟机在实现时把这个分区放到了堆内存中，永久代会进行垃圾回收(Full GC 时如果超过了 MaxMetaspaceSize)。
永久代在 Java 7 时，部分功能被转移到其他内存区。例如符号引用(Symbols)转移到了 Native 堆、字面量(Interned Strings)转移到了 Java 堆；类的静态变量(Class Statics)转移到了 Java 堆。
永久代在 Java 8 被元空间取代了。

以下两段引来自Oracle官网《HotSpot 虚拟机内存管理白皮书》
1. 永久代保存的是类信息：The permanent generation holds objects that
the JVM finds convenient to have the garbage collector manage, such as objects describing classes and methods, as well as the classes and methods themselves.
2. 永久代会进行垃圾回收： With the serial collector, the old and permanent generations are collected via a mark-sweep-compact
collection algorithm.

元空间：
元空间是用来取代永久代的一个内存区域，它使用的不是虚拟机内存，而是本地内存。默认情况元空间的大小仅受本地内存的限制。

4. Java 栈和 Native 栈

参考前文的 Java栈和 Native栈。

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