讲讲 JVM 的内存结构（附上Demo讲解）

news2024/12/24 8:52:52

讲讲 JVM 的内存结构

什么是 JVM 内存结构？
- 线程私有
- - 程序计数器
  - 虚拟机栈
  - 本地方法栈
- 线程共享
- - 堆
  - 方法区
  - 注意
  - - 永久代
    - 元空间
    - 运行时常量池
    - 直接内存
代码详解

什么是 JVM 内存结构？

在这里插入图片描述

JVM内存结构分为5大区域，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区。

HotSpot在JDK1.8之前方法区就是永久代，永久代就是方法区。JDK1.8后删除了永久代，改为元空间，元空间在本地内存中。方法区就是元空间，元空间就是方法区。

创建一个线程，JVM就会为其分配一个私有内存空间，其中包括PC、虚拟机栈和本地方法栈

简单来说：

堆：存放 new 出来的东西
方法区：被虚拟机加载的类信息、常量、静态常量等。
栈：存放局部变量
程序计数器：记录指令
本地方法栈：Native 方法

接着进行详细的介绍：

线程私有

程序计数器

线程私有的，作为当前线程的行号指示器，用于记录当前虚拟机正在执行的线程指令地址。程序计数器主要有两个作用：

当前线程所执行的字节码的行号指示器，通过它实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，当线程被切换回来的时候能够知道它上次执行的位置。

程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

虚拟机栈

Java 虚拟机栈是由一个个栈帧组成，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。每一次函数调用都会有一个对应的栈帧被压入虚拟机栈，每一个函数调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。

局部变量表是用于存放方法参数和方法内的局部变量。

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈所属方法的符号引用，在方法调用过程中，会进行动态链接，将这个符号引用转化为直接引用。

部分符号引用在类加载阶段的时候就转化为直接引用，这种转化就是静态链接
部分符号引用在运行期间转化为直接引用，这种转化就是动态链接

Java 虚拟机栈也是线程私有的，每个线程都有各自的 Java 虚拟机栈，而且随着线程的创建而创建，随着线程的死亡而死亡。

Java 虚拟机栈会出现两种错误：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
可以通过 -Xss 参数来指定每个线程的虚拟机栈内存大小：java -Xss2M

本地方法栈

虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。Native 方法一般是用其它语言（C、C++等）编写的。

本地方法被执行的时候，在本地方法栈也会创建一个栈帧，用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

线程共享

堆

堆用于存放对象实例，是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC堆。

堆可以细分为：新生代（Eden空间（伊甸园）、From Survivor、To Survivor空间）和老年代。

通过 -Xms 设定程序启动时占用内存大小，通过 -Xmx 设定程序运行期间最大可占用的内存大小。如果程序运行需要占用更多的内存，超出了这个设置值，就会抛出OutOfMemory异常。

方法区

方法区与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

对方法区进行垃圾回收的主要目标是对常量池的回收和对类的卸载。

注意

永久代

方法区是 JVM 的规范，而永久代PermGen 是方法区的一种实现方式，并且只有 HotSpot 有永久代。对于其他类型的虚拟机，如 JRockit 没有永久代。由于方法区主要存储类的相关信息，所以对于动态生成类的场景比较容易出现永久代的内存溢出。

元空间

JDK 1.8 的时候，HotSpot的永久代被彻底移除了，使用元空间替代。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。

两者最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

为什么要将永久代替换为元空间呢?
永久代内存受限于 JVM 可用内存，而元空间使用的是直接内存，受本机可用内存的限制，虽然元空间仍旧可能溢出，但是相比永久代内存溢出的概率更小。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，在类加载之后，会将编译器生成的各种字面量和符号引号放到运行时常量池。在运行期间动态生成的常量，如 String 类的 intern()方法，也会被放入运行时常量池。

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。

NIO 的 Buffer 提供了 DirectBuffer，可以直接访问系统物理内存，避免堆内内存到堆外内存的数据拷贝操作，提高效率。

DirectBuffer直接分配在物理内存中，并不占用堆空间，其可申请的最大内存受操作系统限制，不受最大堆内存的限制。

直接内存的读写操作比堆内存快，可以提升程序I/O操作的性能。通常在I/O通信过程中，会存在堆内内存到堆外内存的数据拷贝操作，对于需要频繁进行内存间数据拷贝且生命周期较短的暂存数据，都建议存储到直接内存。

在这里插入图片描述

代码详解

以下是一个简单的 Java 类，我们将在注释中说明各个内存区域的作用：

public class MemoryStructureExample {
    // 静态变量，存放在方法区
    private static int staticVar = 42;

    public static void main(String[] args) {
        // 局部变量，存放在虚拟机栈
        int localVar = 10;

        // 创建一个对象，存放在堆中
        MemoryStructureExample obj = new MemoryStructureExample();

        // 调用方法，创建一个新的栈帧
        obj.doSomething(localVar);

        // 创建一个数组，存放在堆中
        int[] array = new int[5];

        // 常量，存放在方法区
        final String constantString = "Hello, world!";

        // 本地方法调用，使用本地方法栈
        System.out.println("Static variable: " + staticVar);
        System.out.println("Constant string: " + constantString);
    }

    // 方法，存放在方法区
    public void doSomething(int value) {
        // 局部变量，存放在虚拟机栈
        int result = value * 2;
        System.out.println("Result: " + result);
    }
}