【JVM】JVM五大内存区域介绍

news2024/11/18 15:36:13

一、程序计数器（线程私有）

二、java虚拟机栈（线程私有）

2.1、虚拟机栈

2.2、栈相关测试

2.2.1、栈溢出

三、本地方法栈（线程私有）

四、java堆（线程共享）

五、方法区（线程共享）

六、实例演示

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。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

一、程序计数器（线程私有）

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里 [1] ，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

二、java虚拟机栈（线程私有）

2.1、虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧 [1] （Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

“栈”通常就是指这里讲的虚拟机栈，或者更多的情况下只是指虚拟机栈中局部变量表部分。
局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，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者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。
这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。请读者注意，这里说的“大小”是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间（譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特，或者更多）来实现一个变量槽，这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。

2.2、栈相关测试

2.2.1、栈溢出

测试类：

如果某个线程的线程栈的内存被耗尽，没有足够的内存资源去创建栈帧，就会发生内存溢出。

public class TestStack {
    public static void main(String[] args) {
        test();
    }
    public static void test(){
        test();
    }
}

结果：

上面这串代码的执行过程是：线程先执行main方法，同时会创建main方法的栈帧插入到该线程的线程栈中，当执行到test()方法时，创建test()方法的栈帧插入到该线程的线程栈中，执行到test()方法里的test()方法时，创建栈帧，插入到线程栈中，后面进行不断创建栈帧、入栈。当创建一定数量的栈帧后，剩下的线程资源无法再创建新的栈帧就会报StackOverflowError异常（堆栈溢出异常）（当前虚拟机栈不可以动态扩展）

如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

三、本地方法栈（线程私有）

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

四、java堆（线程共享）

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此一些资料中它也被称作“GC堆”（Garbage CollectedHeap）。从回收内存的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以Java堆中经常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“Eden空间”“From Survivor空间”“To Survivor空间”等名词。

如果从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区
（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提升对象分配时的效率。不过无论从什么角度，无论如何划分，都不会改变Java堆中存储内容的共性，无论是哪个区域，存储的都只能是对象的实例，将Java堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

五、方法区（线程共享）

方法区（Method Area）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型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

六、实例演示

1、基本数据类型

实体类

@Data
public class UserParam {

    /**
     * 用户名
     */
    private String userName;
    /**
     * 密码
     */
    private String password;
    /**
     * 昵称
     */
    private String nickName;

    /**
     * 旧密码
     */
    private String oldPassWord;

    /**
     * 新密码
     */
    private String newPassWord;

}

测试

public class TestStack {
    public static void main(String[] args) {
        UserParam userParam=new UserParam();
        int b=1;
        test(userParam,b);
        test(userParam,b);
        System.out.println(userParam);
    }
    public static void test(UserParam userParam,int a){
        userParam.setUserName(String.valueOf(a));
        a=2;
    }
}

结果：

分析：

b变量是基本数据类型，创建完在栈帧中，没有任何引用，参数也只是传入值，方法中a改变对b没有任何影响。

2、引用数据类型会根据传入的引用数据的改变而改变

public class TestStack {
    public static void main(String[] args) {
        UserParam userParam=new UserParam();
        userParam.setNickName("张三");
        test(userParam);
        test(userParam);
        System.out.println(userParam);
    }
    public static void test(UserParam userParam){
        userParam.setUserName(userParam.getNickName());
        userParam.setNickName("李四");
    }
}

结果：