JVM 内存结构介绍整理

Jvm内存模型

• JVM内存共分为虚拟机、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈五个部分。
  

虚拟机栈

• 每个线程都有一个私有的栈，随着线程创建而创建。每个栈空间都存放着栈帧，每个方法都会创建一个栈帧，栈帧主要存放了局部变量列表(局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型[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])、操作数栈、方法出口等信息.

• 一个线程中方法的调用链可能会很长，很多方法都同时处于执行状态。对于JVM执行引擎来说，在在活动线程中，只有位于JVM虚拟机栈栈顶的元素才是有效的，即称为当前栈帧，与这个栈帧相关连的方法称为当前方法，定义这个方法的类叫做当前类。

• 栈中存放对象的引用
  

• 栈帧模型
  

• 执行引擎运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。如果当前方法调用了其他方法，或者当前方法执行结束，那这个方法的栈帧就不再是当前栈帧了。

• 调用新的方法时，新的栈帧也会随之创建。并且随着程序控制权转移到新方法，新的栈帧成为了当前栈帧。方法返回之际，原栈帧会返回方法的执行结果给之前的栈帧(返回给方法调用者)，随后虚拟机将会丢弃此栈帧。

• 当一个方法开始执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入内容和读取数据，即入栈和出栈操作。

• 栈帧是线程本地的私有数据，不可能在一个栈帧中引用另外一个线程的栈帧。

• 栈帧数过多及栈深度过大时超过虚拟机定义的所允许深度，就会抛出StackOverflowError异常(无限制申请线程)，当虚拟机栈无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈

• 本地方法栈与虚拟机栈的使用原理基本一致，只不过虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(字节码)服务，本地方法栈为虚拟机执行Native方法服务

Java堆

• Java堆是被所有线程 共享的一片区域，该内存区域的唯一目的就是存放对象的实例
• Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，主要分为年轻代和年老代 == GC算法==
• Java实例对象在创建时无法再分配堆空间时，就会抛出OutOfMemoryError异常
• Java堆的大小分配是可以扩展的，启动参数-Xmx/-Xms可以控制大小
• 线程共享的堆内存可能会 分出来多个线程私有的分配缓冲区==(TLAB,这是为了并发分配内存时的脏分配问题，需要使用相关参数来开启。虚拟机默认使用CAS加上失败重试机制解决脏分配问题)==

Java堆内存和栈内存 区别

1. 当创建任何对象时，在堆中创建,堆内存是所有线程共享的，栈内存只是对当前被执行的线程可见
2. 因为创建的对象是存储在堆中，栈空间存储着对他的引用，还有就是该线程执行方法中的局部变量，局部变量随着栈的销毁而销毁
3. 两者的内存管理机制不同，栈内存遵循栈入和栈出原则，堆内存分年轻代和年老代管理，栈内存存储时间短暂，栈出及被销毁，对内存可能会常驻，依赖垃圾回收器分析处理
4. 使用-Xms和-Xmx JVM选项来定义堆内存的启动大小和最大大小，使用-Xss来定义栈内存大小。
5. 当栈内存已满时，运行时抛出，java.lang.StackOverFlowError，如果堆内存已满，则抛出java.lang.OutOfMemoryError:Java Heap Space错误。

方法区

• 方法区与堆一样，是线程共享的，用于存储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。
• 方法区的内存很少触发垃圾收集，但并不是说数据存储到方法区就常驻存在，这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和堆类型的卸载
• 方法区的内存不足的时候回触发OutOfMemoryError异常。

运行常量池

• Java编译的class文件中 除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还存放着常量池，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
• 运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定要在编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区的运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入到常量池中，这种特性被开发人员利用得比较多的是String类的intern()方法。
• 当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMeMoryError异常

并发编程下的Java内存模型

• 线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化
  
  A线程与B线程之间进行通信时，线程A首先把修改过的共享变量更新到堆内存中，线程B再去读取A更新过的共享变量，随之而来的是两个问题：
  1. 共享变量对各个线程的内存可见性
  2. 共享变量的竞争问题

内存可见性原则

当A线程对共享变量做出了修改，但是并没有来得及将修改flush到共享内存中时，B线程读取的共享变量并不是我们希望的预期值，这样就产生了线程竞争，因此我们需要确保A的写操作在任何时候都是对B线程可见的，这就引入了一个Happen-Before 规则

• Java **volatile**会保证共享变量对内存的可见性

Happen-Before 规则

• 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens- before 于该线程中的任意后续操作
• 监视器锁规则：对一个监视器锁的解锁，happens- before 于随后对这个监视器锁的加锁。
• volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens- before 于任意后续对这个volatile域的读。
• 传递性：如果Ahappens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。

线程竞争的避免

• 线程锁：当前线程在进行数据操作的时候给该操作 添加锁(ReentrantLock)，其他线程只能阻塞在该线程操作数据结束后解锁再进行操作
• 线程同步： 每个java对象都有一个内部锁，使用**synchronized**关键字进行方法声明，这个方法在被一个线程操作时就会自动被上锁，其效果与创建Lock对象对数据操作加锁相似

引申

1. Java程序的内存划分和垃圾回收算法：堆内存(Heap Space)和永久代(Permanent Generation->Permgen)
2. 为什么wait,notify和notifyall定义在object中
   https://blog.csdn.net/weixin_41950473/article/details/91592261
3. synchronized关键字的作用
   https://blog.csdn.net/weixin_41950473/article/details/90049998
4. volatile是如何保证内存可见性和防止编译器指令性重排的？
5. Java锁的类型、原理及其用法
6. Jvm 内存OutOfMemoryError场景与分析
7. CAS原理入门与扫盲
8. Java基本数据类型的存放位置
   基本数据类型是放在栈中还是放在堆中，这取决于基本类型声明的位置。
   1. 方法中声明的变量为局部变量，局部变量存储在虚拟机栈空间的栈帧中，随着方法的被调用而创建，随着栈的销毁而销毁，如果基本类型是新声明的，存储在栈中；如果基本类型声明的是引用，该引用的基本类型实际存储在堆中，栈中只是存储对基本类型的引用
   2. 类中声明的变量即成员变量，是全局变量，这个是放在堆中的，无论是新声明的还是声明的是引用，基本数据类型都是存贮在堆中的

• 参考文档
  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