Java 内存模型（JMM）

news2024/11/15 9:50:59

JMM，全称 Java Memory Model ，中⽂释义Java内存模型

1. 概述

        对于 Java 程序员来说，在虚拟机⾃动内存管理机制下，不再需要像 C/C++ 程序开发程序员这 样为每⼀个 new 操作去写对应的 delete / free 操作，不容易出现内存泄漏和内存溢出问 题。正是因为 Java 程序把内存控制权利交给 JVM 虚拟机。⼀旦出现内存泄漏和溢出⽅⾯的问题， 如果不了解虚拟机是怎样使⽤内存的，那么排查错误将会是⼀个⾮常艰巨的任务。

 2. 运行时数据区域划分

  •  JVM 虚拟机在执⾏ Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若⼲个不同的数据区域。
  • JDK 1.8 之前分为：线程共享（ Heap 堆区、 Method Area ⽅法区）、线程私有（虚拟 机栈、本地⽅法栈、程序计数器）
  • JDK 1.8 以后分为：线程共享（ Heap 堆区、 MetaSpace 元空间）、线程私有（虚拟机 栈、本地⽅法栈、程序计数器）

 

 

3. 程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是⼀块较⼩的内存空间，是当前线程所执⾏的字节码的⾏号指示器。

        字节码解释器在解释执⾏字节码⽂件⼯作时，每当需要执⾏⼀条字节码指令时，就通过改变程序 计数器的值来完成。程序中的分⽀、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器 来完成。

        程序执⾏过程中，会不断的切换当前执⾏线程，切换后，为了能让当前线程恢复到正确的执⾏位 置，每条线程都需要有⼀个独⽴的程序计数器，并且各线程之间计数器互不影响，独⽴存储。

程序计数器主要有两个作⽤：

  1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从⽽实现代码的流程控制，如：顺序执⾏、 选择、循环、异常处理。
  2. 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，从⽽当线程被切换回来的时候， 能够知道当前线程的运⾏位置。
  3. 程序计数器是唯⼀⼀个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它随着线程的创建⽽创建， 随着线程的结束⽽死亡。

 4. Java 虚拟机栈（VM Stack）

与程序计数器⼀样， VM Stack 虚拟机栈也是线程私有的，它的⽣命周期和线程相同，⽤于描述 Java ⽅法执⾏时的内存模 型，每次⽅法调⽤的数据都是通过栈传递的。

        JMM 内存区域可以粗略的区分为堆内存（ Heap ）和栈内存 ( Stack )。其中栈就是 VM St ack 虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。 因为局部变量表主要存放了编译期可知的各 种基本数据类型变量值（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引⽤ （reference 类型，它不同于对象本身，可能是⼀个指向对象起始地址的引⽤指针，也可能是指向⼀ 个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）。

        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。每⼀次⽅法调⽤都会有⼀个对应的栈帧被压⼊ VM Stack 虚拟机栈，每⼀个 ⽅法调⽤结束后，代表该⽅法的栈帧会从 VM Stack 虚拟机栈中弹出。

         在活动线程中， 只有位于栈顶的帧才是有效的， 称为当前活动栈帧，代表正在执⾏的当前⽅ 法。在 JVM 执⾏引擎运⾏时， 所有指令都只能针对当前栈帧进⾏操作。虚拟机栈通过 pop 和 p ush 的⽅式，对每个⽅法对应的活动栈帧进⾏运算处理，⽅法正常执⾏结束，肯定会跳转到另⼀个 栈帧上。

 Java ⽅法有两种返回⽅式： return 语句或抛出异常，不管哪种返回⽅式都会导致栈帧被弹出。

 Java 虚拟机栈会出现两种错误： StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 。

  • StackOverFlowError ： 当线程请求栈的深度超过 JVM 虚拟机栈的最⼤深度的时候，就 抛出 StackOverFlowError 错误。
  • OutOfMemoryError： JVM 的内存⼤⼩可以动态扩展， 如果虚拟机在动态扩展栈时⽆法申请 到⾜够的内存空间，则抛出 OutOfMemoryError 异常。

5. 本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈用于虚拟机调用的 Native 方法

        native 关键字修饰的本地⽅法被执⾏的时候，在本地⽅法栈中也会创建⼀个栈帧，⽤于存放 该 native 本地⽅法的局部变量表、操作数栈、动态链接、⽅法出⼝信息。⽅法执⾏完毕后，相应 的栈帧也会出栈并释放内存空间。也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种错误。

6. 堆（Heap）

Heap 堆区，⽤于存放对象实例和数组的内存区域。

 Heap 堆是 JVM 所管理的内存中最⼤的⼀块区域，被所有线程共享的⼀块内存区域。堆区中 存放对象实例，“⼏乎”所有的对象实例以及数组都在这⾥分配内存。

6.1. 新⽣代、⽼年代

        Heap 堆是垃圾收集器 GC （ Garbage Collected ）管理的主要区域，因此堆区也被称 作 GC 堆（ Garbage Collected Heap ）。从垃圾回收的⻆度，由于现在收集器基本都采⽤分 代垃圾收集算法，所以 JVM 中的堆区往往进⾏分代划分，例如：新⽣代 和 ⽼年代。⽬的是更好地 回收内存，或者更快地分配内存。

 Heap 堆区中的新⽣代、⽼年代的空间分配⽐例，可以通过 java -XX:+PrintFlagsFinal -version 命令查看。

因为新⽣代是由 Eden + s0 + s1 组成的，所以按照上述默认⽐例，如果 Eden 区内存 ⼤⼩是 40M，那么两个 Survivor 区就是 5M，整个新⽣代区就是 50M，然后可以算出 Old 区内存 ⼤⼩是 100M，堆区总⼤⼩就是 150M。

6.2. 创建对象的内存分配

        创建⼀个新对象，在堆中的分配内存。

        ⼤部分情况下，对象会在 Eden 区⽣成，当 Eden 区装填满的时候，会触发 Young Gar bage Collection ，即 YGC 垃圾回收的时候，在 Eden 区实现清除策略，没有被引⽤的对象 则直接回收。

        依然存活的对象会被移送到 Survivor 区。 Survivor 区分为 s0 和 s1 两块内存区 域。每次 YGC 的时候，它们将存活的对象复制到未使⽤的 Survivor 空间（ s0 或 s1 ）， 然后将当前正在使⽤的空间完全清除，交换两块空间的使⽤状态。每次交换时，对象的年龄会 加 +1 。

        如果 YGC 要移送的对象⼤于 Survivor 区容量的上限，则直接移交给⽼年代。⼀个对象 也不可能永远呆在新⽣代，在 JVM 中 ⼀个对象从新⽣代晋升到⽼年代的阈值默认值是 15 ，可 以在 Survivor 区交换 14 次之后，晋升⾄⽼年代。

 堆区最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误，这种错误的表现形式会有以下两种： 

  1. OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded ： 当 JVM 花太多时间执⾏垃 圾回收，并且只能回收很少的堆空间时，就会发⽣此错误。
  2. OutOfMemoryError: Java heap space ：假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不⾜ 以存放新创建的对象, 就会引发此错误。

7. 元空间（Meta Space）

        ⽤于存放类信息、常量、静态变量、JIT即时编译器编译后的机器代码等数据等。例如： java.l ang.Object 类的元信息、 Integer.MAX_VALUE 常量等。

JDK1.6：

HotSpot JVM 使⽤ Method Area ⽅法区存储，也叫永久代(Permanent Generation)。

  1. ⽅法区和“永久代( Permanent Generation )”的区别：⽅法区是 JVM 的规范，⽽永久代( Permanent Generation )是 JVM 规范的⼀种实现，并且只有 HotSpot JVM 才有永久 代“ Permanent Generation ”，⽽对于其他类型的虚拟机，如 JRockit（Oracle）、J9 （IBM） 并没有；
  2. ⽅法区是⼀⽚连续的堆空间，当 JVM 加载的类信息容量超过了最⼤可分配空间，虚拟机会抛 出 OutOfMemoryError:PermGenspace 的 Error 。
  3. 永久代的GC是和⽼年代( old generation )捆绑在⼀起的，⽆论谁满了，都会触发永久代和 ⽼年代的垃圾收集。
  4. 可以通过 -XX:PermSize=N 设置 ⽅法区 (永久代) 初始空间， -XX:MaxPermSize=N 设 置⽅法区 (永久代) 最⼤空间,超过这个值将会抛出错误： java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

JDK1.7：

        将字符串常量池、静态变量转移到了堆区。

JDK1.8：正式移除永久代，采⽤ Meta Space 元空间代替

        元空间的本质和永久代类似，都是对 JVM 规范中⽅法区的⼀种具体实现。不过元空间与永久代 之间最⼤的区别在于：元空间并不在虚拟机中，⽽是使⽤本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过运⾏参数来指定元空间的大小。

  • 由于 PermGen 内存经常会溢出，容易抛出 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen 错误；
  • 移除 PermGen 可以促进 HotSpot JVM 与 JRockit VM 的融合，因为 JRock it 没有永久代；

 8. 字符串常量池

 String 的两种创建⽅式：

  •  第⼀种⽅式是在常量池中获取字符串对象；
  •  第⼆种⽅式是直接在堆内存空间创建⼀个新的字符串对象；

 String 的 intern() ⽅法：

 String 的拼接：

String s1 = new String("abc"); 这句代码创建了⼏个字符串对象？

创建 1 或 2 个字符串。如果常量池中已存在字符串常量“ abc ” ，则只会在堆空间创建⼀个字符串常 量“ abc ” 。如果常量池中没有字符串常量“ abc ” ，那么它将⾸先在池中创建，然后在堆空间中创建，因 此将创建总共 2 个字符串对象。

8 种基本类型的包装类和常量池

  • Java 基本类型的包装类的⼤部分都实现了常量池技术，即 Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean；
  • 前⾯ 4 种包装类默认创建了数值[-128，127] 的相应类型的缓存数据；
  • Character 创建了数值在[0,127]范围的缓存数据；
  • Boolean 直接返回 True Or False；
  • 如果超出对应范围仍然会去创建新的对象

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