【Java基础】jvm 堆、栈、方法区 & java 内存模型

一、 概览

在进入主题前，我们先了解一些相关的知识，方面后面对运行时数据区进行分类。

进程中，有很多数据是多线程之间共享的，线程在执行时，会先从主存中读取数据，然后复制一份到高速缓存中，当计算完后，再刷新到主存中。

我们只要找到独属于线程的资源，那么其他的资源都是线程共享的，线程运行的本质就是函数的执行，函数运行时的信息保存在栈帧中，栈帧中保存了函数的返回值、调用其它函数的参数、java方法、局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口、寄存器信息等。除了这个栈帧里面的信息，其他信息都是共享的，据此，我们先画个图，运行时数据区（Runtime Data Area）大致可以分成以下几个区域

Java运行时数据区（Runtime Data Area）是指在Java程序执行期间，Java虚拟机所管理的诸多内存区域（分别用于存储不同的数据），如上图所示，包含了以下几个部分：

1. 堆区
2. 栈区
3. 方法区
4. 程序计数器

二、堆区

该区域是一个共享区，主要用于存储对象实例、数组.

Java堆是虚拟机管理的内存中最大的一块区域，jvm只有一个堆区，在虚拟机启动时创建，被所有线程共享，堆是gc管理堆主要区域。

Jvm堆分类

jvm堆一般分为三部分: 新生代，老年代，永久代（元空间）

永久代java8已经被元空间取代。

2.1 新生代

用来存放新生的对象，占据堆的1/3空间

如果新创建的对象占用内存很大，则直接分配到老年代。（当老年代也满了装不下的时候，就会抛出OOM异常。）

2.2 老年代

老年代的对象比较稳定，所以MajorGC不会频繁执行。

在进行MajorGC前一般都先进行了一次MinorGC， 使得有新生代的对象晋身入老年代，导致空间不够用时才触发。 当无法找到足够大的连续空间分配给新创建的较大对象时 也会提前触发一次MajorGC进行垃圾回收腾出空间。

2.3 永久代（元空间）

指内存的永久保存区域，主要存放Class和Meta（元数据）的信息。

Class在被加载的时候被放入永久区域。类的元数据放入 native memory, 字符串池和类的静态变量放入java堆中。

永久代（元空间）和和存放实例的区域不同，GC不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这也导致了永久代的区域会随着加载的Class的增多而胀满，最终抛出OOM异常。

在Java8中，永久代已经被移除，被一个称为“元数据区”（元空间）的区域所取代。

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。

元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。

这样可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制，而由系统的实际可用空间来控制。

三、栈

虚拟机栈：java方法、局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等。

本地方法栈：native方法

栈帧

栈帧也叫过程活动记录，是编译器用来实现过程/函数调用的一种数据结构。简言之，栈帧就是利用EBP（栈帧指针，请注意不是ESP）寄存器访问局部变量、参数、函数返回地址等的手段。

关于本地方法栈和Java栈，在Java虚拟机规范中定义了两种异常。

线程的请求栈的深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常
虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存时，将抛出OutOfMemoryError异常
每次函数调用都会生成对应的栈帧，从而占用一定的内存

四、方法区

线程共享的内存区域，主要用于存储类型信息、常量、静态变量、即时编译代码等

五、程序计数器

CPU在执行程序时，需要有一个地方存放下一条要被取走指令的位置，这是一个寄存器，cpu中只有一个程序计数器。
虚拟机字节码指令的地址或undefined

每个线程都有私有（独立）的程序计数器。

线程中的程序计数器可以理解为一段内存，用来保存当前线程执行到的位置，因为系统采用时间片轮转的方法，所以一个线程不可能一直占用CPU，只能执行规定时间，进行线程切换，这里就需要有一个私有的线程计数器，也就是本地计数器，来保存当前线程的执行到的位置，等到下一次再从这个位置继续执行。

六、Java内存模型(Java Memory Model，JMM)

在多线程场景下，CPU会出现缓存一致性问题，处理器重新排序问题，

为了解决这个问题，制定了计算机内存模型。（原子性、可见性、有序性）
即是Java语言对这个操作规范的遵循，

JMM规定了所有的变量都存储在主存中，每个线程都有自己的工作区，线程将使用到的变量从主存中复制一份到自己的工作区，线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作区，不同的线程也无法直接访问对方工作区，线程之间的消息传递都需要通过主存来完成。可以把这里主存类比成计算机内存模型中的主存，工作区类比成计算机内存模型中的高速缓存。

​