重学Java虚拟机（一）—— JVM内存模型

前言

众所周知，Java主要靠Java虚拟机（JVM）在目标码级实现平台无关性。

JVM是一种抽象机器，它附着在具体操作系统之上，本身具有一套虚机器指令，并有自己的栈、寄存器组等。但JVM通常是在软件上而不是在硬件上实现。JVM是Java平台无关的基础，在JVM上，有一个Java解释器用来解释Java编译器编译后的程序。Java编程人员在编写完软件后，通过Java编译器将Java源程序编译为JVM的字节代码。任何一台机器只要配备了Java解释器，就可以运行这个程序，而不管这种字节码是在何种平台上生成的。另外，Java采用的是基于IEEE标准的数据类型。通过JVM保证数据类型的一致性，也确保了Java的平台无关性。

JVM的内存模型

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。根据《Java虚拟机规范（第2版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：

程序计数器

Java 虚拟机栈

Java栈由栈帧组成，一个帧对应一个方法调用。调用方法时压入栈帧，方法返回时弹出栈帧并抛弃。

Java栈的主要任务是存储方法参数、局部变量、中间运算结果，并且提供部分其它模块工作需要的数据。

Java栈是线程私有的，这就保证了线程安全性，使得程序员无需考虑栈同步访问的问题，只有线程本身可以访问它自己的局部变量区。

Java 虚拟机栈分为三部分：局部变量区、操作数栈、帧数据区。

1、局部变量区

局部变量区是以字长为单位的数组，在这里，byte、short、char类型会被转换成int类型存储，除了long和double类型占两个字长以外，其余类型都只占用一个字长。特别地，boolean类型在编译时会被转换成int或byte类型，boolean数组会被当做byte类型数组来处理。局部变量区也会包含对象的引用，包括类引用、接口引用以及数组引用。

局部变量区包含了方法参数和局部变量，此外，实例方法隐含第一个局部变量this，它指向调用该方法的对象引用。对于对象，局部变量区中永远只有指向堆的引用。

2、操作数栈

操作数栈也是以字长为单位的数组，但是正如其名，它只能进行入栈出栈的基本操作。在进行计算时，操作数被弹出栈，计算完毕后再入栈。

3、帧数据区

帧数据区的任务主要有：

a.记录指向类的常量池的指针，以便于解析。

b.帮助方法的正常返回，包括恢复调用该方法的栈帧，设置PC寄存器指向调用方法对应的下一条指令，把返回值压入调用栈帧的操作数栈中。

c.记录异常表，发生异常时将控制权交由对应异常的catch子句，如果没有找到对应的catch子句，会恢复调用方法的栈帧并重新抛出异常。

局部变量区和操作数栈的大小依照具体方法在编译时就已经确定。调用方法时会从方法区中找到对应类的类型信息，从中得到具体方法的局部变量区和操作数栈的大小，依此分配栈帧内存，压入Java栈。

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈和Java虚拟机栈实现的功能类似，只不过本地方法区是本地方法运行的内存模型。

本地方法栈区域也会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常。

堆

堆是用来存放对象的内存空间。 几乎所有的对象都存储在堆中。

整个Java虚拟机只有一个堆，所有的线程都访问同一个堆。而程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈都是一个线程对应一个的。

堆在虚拟机启动时创建，是垃圾回收的主要场所。

堆可以进一步细分为：新生代、老年代。 新生代又可被分为：Eden、From Survior、To Survior。

不同的区域存放具有不同生命周期的对象。这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法，从而更具有针对性，从而更高效。

堆的大小既可以固定也可以扩展，但主流的虚拟机堆的大小是可扩展的，因此当线程请求分配内存，但堆已满，且内存已满无法再扩展时，就抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

类型信息和类的静态变量都存储在方法区中。方法区中对于每个类存储了以下数据：

a.类及其父类的全限定名（java.lang.Object没有父类）

b.类的类型（Class or Interface）

c.访问修饰符（public, abstract, final）

d.实现的接口的全限定名的列表

e.常量池

f.字段信息

g.方法信息

h.静态变量

i.ClassLoader引用

j.Class引用

可见类的所有信息都存储在方法区中。由于方法区是所有线程共享的，所以必须保证线程安全，举例来说，如果两个类同时要加载一个尚未被加载的类，那么一个类会请求它的ClassLoader去加载需要的类，另一个类只能等待而不会重复加载。

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分。

在NIO中引入了一种基于通道和缓冲的IO方式。它可以通过调用本地方法直接分配Java虚拟机之外的内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象直接操作该内存，而无需先将外面内存中的数据复制到堆中再操作，从而提升了数据操作的效率。

直接内存的大小不受Java虚拟机控制，但既然是内存，当内存不足时就会抛出OutOfMemoryError异常。

总结

本文主要介绍了JVM基本的内存模型，而模型的各个组成部分及其基本特征和作用，后续会有详细介绍。