JVM内存模型理解

1、首先理解下什么是 jvm 内存模型？

jvm内存模型定义了Java虚拟机运行时如何组织和管理内存，规定了各个内存区域的作用、结构和交互方式，以及线程间的内存可见性、内存操作的原子性等行为，以支持Java程序的执行，即一种约束或规定

2、内存区域划分及作用

a、栈（Stack）

? ? ? ?用于存储方法的调用和局部变量，每个方法在调用时都会创建一个栈帧，栈帧包含方法的参数、局部变量以及部分运行时数据。方法的调用及返回则对应栈帧的入栈和出栈

局部变量表：局部变量表用于存储方法中的局部变量。它包含了方法的参数以及方法内部定义的局部变量。局部变量表中的每个变量都在编译时确定其类型和内存位置。

操作数栈：操作数栈用于存储方法执行过程中的操作数和中间结果。它是一个后进先出（LIFO）的数据结构，方法的操作数和计算结果通过操作数栈进行传递。

动态链接：栈帧中包含一个指向运行时常量池中方法的具体位置的引用，用于实现方法的动态绑定。动态链接在方法调用时确定所调用的方法。

返回值地址：栈帧中存储了方法执行完毕后的返回地址，用于指示程序在方法执行结束后继续执行的位置。

b、堆（Heap）

????????虚拟机内存管理的绝对核心，提供了动态分配和回收内存的机制，用于存储Java程序中创建的对象实例和数组

新生代（Young Generation）：分为Eden空间、Survivor空间，JVM 最大的一块内存空间

• Eden空间：是新创建对象的初始分配区域。大多数对象在被创建后都会被分配到Eden空间。

• Survivor空间：当Eden空间中的对象经过一次垃圾回收后仍然存活，它们会被移动到Survivor空间。Survivor空间通常有两个，其中一个是空的，用于垃圾回收时进行对象复制。

老年代（Old Generation）：用于存储生命周期较长的对象。当对象在新生代经过多次垃圾回收仍然存活时，会被移送到老年代。?age > 15 会进入老年代，是因为HotSpot在对象头中的标记字段分配的空间为4位，最多只能记录到15 （对应虚拟机参数 -XX:+MaxTenuringThreshold）

TLAB(thread local allocation buffer)：线程私有的，为了减少多线程环境下的锁竞争，提高对象分配的性能而引入的优化技术。一种针对多线程环境下对象分配的优化策略。?不同的Java虚拟机实现 TLAB 可能会有不同的默认值。一般情况下，默认的TLAB大小是相对较小的，通常在几十KB到几百KB之间。在大多数情况下，线程可以直接在自己的TLAB中进行对象分配，无需竞争TLAB。可能需要竞争TLAB的情况：

• 线程的TLAB已满：线程的TLAB用尽，它需要重新分配一个新的TLAB。这个过程可能需要进行锁竞争，以确保线程可以安全地获取新的TLAB。

• 大对象分配：TLAB通常用于分配小对象，而较大的对象可能无法在TLAB中容纳。当线程需要分配较大的对象时，它可能无法在自己的TLAB中完成分配，而需要在堆上进行分配。在这种情况下，线程可能需要竞争全局的堆锁或其他锁来进行对象分配。

• GC（垃圾回收）期间的TLAB分配：当进行垃圾回收时，JVM可能需要重新分配和回收TLAB。这个过程可能需要进行锁竞争，以确保在进行垃圾回收的同时，其他线程可以安全地分配对象。

c、方法区（Method Area）

? ? ? ?用于存储类结构信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据的内存区域。方法区是线程共享的，用于支持多个线程的并发访问。??

class常量池（Class Constant Pool）：存储编译时生成的字面量和符号引用。包含了类中的常量、字段和方法的符号引用，这些符号引用在类加载时被解析为直接引用（在类加载和链接阶段使用）

• 字面值（Literal）：指直接出现在代码中的常量值，例如整数、浮点数、字符、字符串、布尔值等。在编译阶段，编译器会将这些字面值的值存储在常量池中。例如，对于代码?int num = 10;，数字?10?就是一个字面值。
• 符号引用（Symbolic Reference）：指在编译阶段无法确定具体内存地址的引用，它包含了对类、方法、字段等符号的引用。在常量池中，符号引用以符号的形式存储，包括类的全限定名、方法的名称和描述符、字段的名称和描述符等。符号引用作为一种符号化的引用形式，可以在编译时进行跨模块的引用，而不需要指定具体的内存地址。
• 直接引用（Direct Reference）：指直接指向内存中某个对象、方法或字段的指针、句柄或其他引用形式。运行时通过解析符号引用，转换为具体的直接引用，虚拟机可以定位到具体的内存地址，并进行方法调用、字段访问等操作。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）：存储经过解析的符号引用对应的直接引用。在类加载时，类的符号引用会被解析为直接引用，存储在运行时常量池中供程序在运行时使用（在类的实例化、方法调用等运行时操作中使用）

? ? ? ?类的加载是在第一次使用该类时进行的，虚拟机为了防止多个线程同时加载同一个类，会对类加载过程进行同步处理（类加载的同步）。在类加载的过程中，会通过加锁机制保证同一时间只有一个线程可以加载该类。其他线程在等待时，会被阻塞或进入等待状态。

d、程序计数器（Program Counter，PC）

? ? ? ?用于记录当前线程执行的字节码指令位置，实现分支控制、循环控制、异常处理和线程切换恢复等功能。程序计数器的正确性和准确性对于程序的正确执行非常关键。

e、本地方法（Native Method）

? ? ? ?用于支持执行本地方法（Native Method）的线程调用。本地方法是使用非Java语言（通常是C或C++）编写的方法，通过Java本地接口（JNI）与Java代码进行交互。

本地方法栈与Java虚拟机栈类似，每个线程都有自己的本地方法栈。它们的主要区别是，Java虚拟机栈用于支持Java方法的调用和执行，而本地方法栈用于支持本地方法的调用和执行。

3、方法区的不同实现

? ? a、因为虚拟机的多样性，不同的Java虚拟机按照规定或约束对方法区的实现也存在一些差异

Java 7及之前版本，通常采用永久代（Permanent Generation）作为方法区的实现方式，该区域使用固定大小的内存空间存储类的元数据、字节码和常量池等信息。然而，永久代的大小固定且无法动态调整，垃圾回收机制相对简单，可能导致内存溢出问题。

Java 8及之后版本，永久代被元空间（Metaspace）所取代，成为主流的方法区实现方式。元空间使用本地内存实现，将类的元数据存储在本地内存中。相比永久代，元空间的大小可以动态调整，避免了永久代内存溢出的问题，并利用操作系统的虚拟内存机制，减轻了内存管理的压力。值得注意的是Java 8及之后版本的元空间将一部分内容从方法区中移出，例如运行时常量池中的符号引用和字符串常量。这些内容被移到了堆中或者本地内存中。

Java 9及之后版本，引入了元空间的元数据共享特性，允许多个Java虚拟机进程共享元数据，进一步减少内存占用。

? ? ?b、存储内容的区别

永久代（Permanent Generation）：

• 类的元数据：包括类的名称、父类、接口、字段和方法等信息。
• 字节码：类的字节码指令。
• 运行时常量池：存储类的常量。
• 静态变量：类的静态字段。

元空间（Metaspace）：

• 类的元数据：包括类的名称、父类、接口、字段和方法等信息。
• 字节码：类的字节码指令。
• 运行时常量池：存储类的常量。
• 符号引用：包括类的符号引用、方法的符号引用等。
• 字符串常量：存储字符串常量。
• 静态变量：类的静态字段。

? ? ? 永久代和元空间存储的内容是非常相似的，主要包括类的元数据、字节码、运行时常量池和静态变量等。

? ? ? ?唯一的区别在于元空间还存储了符号引用，用于引用类、方法、字段等。符号引用在运行时可以解析为直接引用，从而实现动态链接和类加载的过程。此外，元空间还可以存储字符串常量，即类中的字符串字面量。