JVM 內存結構介紹整理

Jvm內存模型

• JVM內存共分爲虛擬機、堆、方法區、程序計數器、本地方法棧五個部分。
  

虛擬機棧

• 每個線程都有一個私有的棧，隨着線程創建而創建。每個棧空間都存放着棧幀，每個方法都會創建一個棧幀，棧幀主要存放了局部變量列表(局部變量表主要存放了編譯器可知的各種數據類型[boolean、byte、char、short、int、float、long、double]、對象引用[reference類型，它不同於對象本身，可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能是指向一個代表對象的句柄或其他與此對象相關的位置])、操作數棧、方法出口等信息.

• 一個線程中方法的調用鏈可能會很長，很多方法都同時處於執行狀態。對於JVM執行引擎來說，在在活動線程中，只有位於JVM虛擬機棧棧頂的元素纔是有效的，即稱爲當前棧幀，與這個棧幀相關連的方法稱爲當前方法，定義這個方法的類叫做當前類。

• 棧中存放對象的引用
  

• 棧幀模型
  

• 執行引擎運行的所有字節碼指令都只針對當前棧幀進行操作。如果當前方法調用了其他方法，或者當前方法執行結束，那這個方法的棧幀就不再是當前棧幀了。

• 調用新的方法時，新的棧幀也會隨之創建。並且隨着程序控制權轉移到新方法，新的棧幀成爲了當前棧幀。方法返回之際，原棧幀會返回方法的執行結果給之前的棧幀(返回給方法調用者)，隨後虛擬機將會丟棄此棧幀。

• 當一個方法開始執行的時候，這個方法的操作數棧是空的，在方法的執行過程中，會有各種字節碼指令往操作數棧中寫入內容和讀取數據，即入棧和出棧操作。

• 棧幀是線程本地的私有數據，不可能在一個棧幀中引用另外一個線程的棧幀。

• 棧幀數過多及棧深度過大時超過虛擬機定義的所允許深度，就會拋出StackOverflowError異常(無限制申請線程)，當虛擬機棧無法申請到足夠的內存，就會拋出OutOfMemoryError異常

本地方法棧

• 本地方法棧與虛擬機棧的使用原理基本一致，只不過虛擬機棧爲虛擬機執行Java方法(字節碼)服務，本地方法棧爲虛擬機執行Native方法服務

Java堆

• Java堆是被所有線程 共享的一片區域，該內存區域的唯一目的就是存放對象的實例
• Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，主要分爲年輕代和年老代 == GC算法==
• Java實例對象在創建時無法再分配堆空間時，就會拋出OutOfMemoryError異常
• Java堆的大小分配是可以擴展的，啓動參數-Xmx/-Xms可以控制大小
• 線程共享的堆內存可能會 分出來多個線程私有的分配緩衝區==(TLAB,這是爲了併發分配內存時的髒分配問題，需要使用相關參數來開啓。虛擬機默認使用CAS加上失敗重試機制解決髒分配問題)==

Java堆內存和棧內存 區別

1. 當創建任何對象時，在堆中創建,堆內存是所有線程共享的，棧內存只是對當前被執行的線程可見
2. 因爲創建的對象是存儲在堆中，棧空間存儲着對他的引用，還有就是該線程執行方法中的局部變量，局部變量隨着棧的銷燬而銷燬
3. 兩者的內存管理機制不同，棧內存遵循棧入和棧出原則，堆內存分年輕代和年老代管理，棧內存存儲時間短暫，棧出及被銷燬，對內存可能會常駐，依賴垃圾回收器分析處理
4. 使用-Xms和-Xmx JVM選項來定義堆內存的啓動大小和最大大小，使用-Xss來定義棧內存大小。
5. 當棧內存已滿時，運行時拋出，java.lang.StackOverFlowError，如果堆內存已滿，則拋出java.lang.OutOfMemoryError:Java Heap Space錯誤。

方法區

• 方法區與堆一樣，是線程共享的，用於存儲被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據。
• 方法區的內存很少觸發垃圾收集，但並不是說數據存儲到方法區就常駐存在，這區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和堆類型的卸載
• 方法區的內存不足的時候回觸發OutOfMemoryError異常。

運行常量池

• Java編譯的class文件中 除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還存放着常量池，用於存放編譯器生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。
• 運行時常量池相對於Class文件常量池的另外一個重要特徵是具備動態性，Java語言並不要求常量一定要在編譯期才能產生，也就是並非預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區的運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入到常量池中，這種特性被開發人員利用得比較多的是String類的intern()方法。
• 當常量池無法再申請到內存時會拋出OutOfMeMoryError異常

併發編程下的Java內存模型

• 線程之間的共享變量存儲在主內存（main memory）中，每個線程都有一個私有的本地內存（local memory），本地內存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內存是JMM的一個抽象概念，並不真實存在。它涵蓋了緩存，寫緩衝區，寄存器以及其他的硬件和編譯器優化
  
  A線程與B線程之間進行通信時，線程A首先把修改過的共享變量更新到堆內存中，線程B再去讀取A更新過的共享變量，隨之而來的是兩個問題：
  1. 共享變量對各個線程的內存可見性
  2. 共享變量的競爭問題

內存可見性原則

當A線程對共享變量做出了修改，但是並沒有來得及將修改flush到共享內存中時，B線程讀取的共享變量並不是我們希望的預期值，這樣就產生了線程競爭，因此我們需要確保A的寫操作在任何時候都是對B線程可見的，這就引入了一個Happen-Before 規則

• Java **volatile**會保證共享變量對內存的可見性

Happen-Before 規則

• 程序順序規則：一個線程中的每個操作，happens- before 於該線程中的任意後續操作
• 監視器鎖規則：對一個監視器鎖的解鎖，happens- before 於隨後對這個監視器鎖的加鎖。
• volatile變量規則：對一個volatile域的寫，happens- before 於任意後續對這個volatile域的讀。
• 傳遞性：如果Ahappens- before B，且B happens- before C，那麼A happens- before C。

線程競爭的避免

• 線程鎖：當前線程在進行數據操作的時候給該操作 添加鎖(ReentrantLock)，其他線程只能阻塞在該線程操作數據結束後解鎖再進行操作
• 線程同步： 每個java對象都有一個內部鎖，使用**synchronized**關鍵字進行方法聲明，這個方法在被一個線程操作時就會自動被上鎖，其效果與創建Lock對象對數據操作加鎖相似

引申

1. Java程序的內存劃分和垃圾回收算法：堆內存(Heap Space)和永久代(Permanent Generation->Permgen)
2. 爲什麼wait,notify和notifyall定義在object中
   https://blog.csdn.net/weixin_41950473/article/details/91592261
3. synchronized關鍵字的作用
   https://blog.csdn.net/weixin_41950473/article/details/90049998
4. volatile是如何保證內存可見性和防止編譯器指令性重排的？
5. Java鎖的類型、原理及其用法
6. Jvm 內存OutOfMemoryError場景與分析
7. CAS原理入門與掃盲
8. Java基本數據類型的存放位置
   基本數據類型是放在棧中還是放在堆中，這取決於基本類型聲明的位置。
   1. 方法中聲明的變量爲局部變量，局部變量存儲在虛擬機棧空間的棧幀中，隨着方法的被調用而創建，隨着棧的銷燬而銷燬，如果基本類型是新聲明的，存儲在棧中；如果基本類型聲明的是引用，該引用的基本類型實際存儲在堆中，棧中只是存儲對基本類型的引用
   2. 類中聲明的變量即成員變量，是全局變量，這個是放在堆中的，無論是新聲明的還是聲明的是引用，基本數據類型都是存貯在堆中的

• 參考文檔
  https://blog.csdn.net/one_jachen/article/details/78157209
  https://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/52611310
  https://blog.csdn.net/renfufei/article/details/76350794
  https://blog.csdn.net/zengxiantao1994/article/details/89423039
  https://blog.csdn.net/Snowy_2012/article/details/79466779
  https://www.nosuchfield.com/2015/11/29/java-multithreading-in-the-competitive-conditions-the-concept-of-lock-and-synchronization/
  https://blog.csdn.net/coslay/article/details/44524561
  https://leokongwq.github.io/2017/02/22/java-why-wait-notify-and-notifyall-defined-in-object.html