JVM內存模型，你看這一篇就夠了

摘要：JVM是一種用於計算設備的規範，是一個虛構出來的計算機，通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。

本文分享自華爲雲社區《[雲駐共創]JVM內存模型的探知之旅》，作者：多米諾的古牌。

1. JVM介紹

1.1 什麼是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的簡稱，是一種用於計算設備的規範，是一個虛構出來的計算機，通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。

1.2 JVM的優點

1.2.1 一次編寫，到處運行。

JVM可以讓java程序，一次編寫，導出運行。讓底層代碼和運行環境分離開，編寫好一份代碼後，不用再次修改內容，只用通過安裝不同的JVM環境自動進行轉換即可運行，在各種系統中無縫連接。

1.2.2 自動內存管理，垃圾回收機制。

在Java誕生之時，C和C++稱霸天下，但是這兩種語言中沒有內存管理機制，是通過手動操作來進行的管理，非常麻煩和繁瑣。

此時Java應運而生,爲了處理內存管理這個方面，專門設計了垃圾回收機制，來自動進行內存的管理。極大的優化了操作，讓程序員們不用正在噼裏啪啦在碼代的海洋中遨遊時，還要操心內存會不會溢出這些“影響我方輸出”的問題，頓時獲得了成噸的好評。

1.2.3 數組下標越界檢查

在Java誕生之時，還有個讓當時C和C++大佬頭疼的問題是，數組下標越界是沒有檢查機制的，這還了得，又是一個影響“我方暴力輸出”的罪魁禍首，因此JVM繼續抱着暖男的思想，又來了個愛的抱抱。

JVM又一次看見了大佬們的煩惱，果斷提供了數組下標越界的自動檢查機制，在檢測到數組下標出現越界後，會在運行時自動拋出“java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException”這個異常，在當時可是感動了很多業界大佬（我猜的）。

1.2.4 多態

JVM還有一個多態功能，是通過相同接口，不同的實例進行實現，完成不同的業務操作，比如：定義了一個動物接口（裏面有一個喫的方法），我們就可以通過這個動物創造小貓（喫魚），再創造一個狗狗（喫肉），再創造一個小助手（喫零食，O(∩_∩)O哈哈~）。

仔細想想，對我們有啥影響呢，那好處老多了，比如：

（1）消除類型之間的耦合關係；

（2）可替換性；

（3）可擴充性；

（4）接口性；

（5）靈活性；

（6）簡化性；

1.3 JVM、JRE、JDK之間的關係

1.3.1 JVM的簡介

JVM是Java Virtual Machine的簡稱，是Java虛擬機，是一種模擬出來的虛擬計算機，它通過在不同的計算機環境當中模擬實現計算功能來實現的。

引入Java虛擬機後，Java語言在不同平臺上運行時就不需要重新編譯。在其中，Java虛擬機屏蔽了與具體平臺的相關信息，使得Java源程序在編譯完成之後即可在不同的平臺運行，達到“一次編譯，到處運行”的目的，Java語言重要的特點之一跨平臺，也即與平臺的無關性，其關鍵點就是JVM。

1.3.2 JRE的簡介

JRE是Java Runtime Environment的簡稱，是Java運行環境，是讓操作系統運行Java應用程序的環境，其內部包含JVM，也就是說JRE只負責對已經存在的Java源程序進行運行的操作，它不包含開發工具JDK，對JDK內部的編譯器、調試器和其它工具均不包含。

1.3.3 JDK的簡介

JDK是Java Development Kit的簡稱，是Java開發工具包，是整個Java程序開發的核心。其主要包含了JRE、Java的系統類庫以及對Java程序進行編譯以及運行的工具，例如：javac.exe和java.exe命令工具等。

1.4 JVM的常見實現

Oracle（Hotspot、Jrockit）、BEA（LiquidVM）、IBM（J9）、taobaoVM（淘寶專用，對Hotspot進行了深度定製）、zing（垃圾回收機制非常快，到達1毫秒左右）。

1.5 JVM的內存結構圖

當Java程序編譯完成爲.class文件==》類加載器（ClassLoader）==》將字節碼文件加載進JVM中；

1.5.1方法區、堆

方法區中保存的主要是類的信息（類的屬性、成員變量、構造函數等）、堆（創建的對象）。

1.5.2虛擬機棧、程序計數器、本地方法棧

堆中的對象調用方法時，方法會運行在虛擬機棧、程序計數器、本地方法棧中。

1.5.3執行引擎

執行方法中代碼時，代碼通過執行引擎執行中的“解釋器”執行；方法中經常調用的代碼，即熱點代碼，通過“即時編譯器”執行，其執行速度非常快。

1.5.4 GC（垃圾回收機制）

GC是針對堆內存中沒有引用的對象進行回收，可以手動也可以自動。

1.5.5本地方法接口

因爲JVM不能直接調用操作系統的功能，只能通過本地方法接口來調用操作系統的功能。

2. JVM內存結構-程序計數器

2.1 程序計數器的定義

Program Counter Register即程序計數器（寄存器），用於記錄下一條Jvm指令的執行地址。

2.2 操作步驟

javap主要用於操作JVM，javap -c 是對java代碼進行反彙編操作。下圖爲通過先編譯demo.java後，再執行javap -c demo的輸出結果：

其中第一列爲二進制字節碼，即JVM指令，第二列爲java源代碼。第一列中的序號爲JVM指令的執行地址。

JVM會通過程序計數器記錄下一條需要執行的JVM指令的地址（比如第一行的0），然後交給解釋器解析爲機器碼，最後交給cpu（只能識別機器碼），完成一行的執行。

想要執行下一行，繼續讓JVM的程序計數器記錄下一條地址（比如第二行的3），再交給解釋器解析後給cpu，以此類推執行結束。

2.3 特點

2.3.1 線程私有的

2.3.2 不會存在內存溢出

3. JVM內存結構-虛擬機棧

3.1 定義

虛擬機棧是每個線程運行所需要的內存空間，每個棧中由多個棧幀組成，每個線程中只能有一個活動棧幀（對應當前正在執行的方法），所有棧幀都遵循後進先出，先進後出的原則。

棧幀是每次調用方法時所佔用的內存，在棧幀中保存的內容參數、局部變量、返回地址。

注1：垃圾回收不涉及棧內存，因爲棧內存是由方法調用產生的，當方法調用結束後會彈出棧。

注2：棧內存不是分配的越大越好，因爲物理內存是一定的，棧內存越大，可以支持更多的遞歸調用，但是可執行的線程數會越來越少。

注3：方法的局部變量，當其沒有逃離方法的作用範圍時，是線程安全的；如果其引用了對象（比如靜態變量，即共享變量，用對象作爲參數的方法，返回值爲對象的方法），並且逃離出了方法的作用範圍，就需要考慮線程安全的問題了。

3.2 棧內存溢出

3.2.1 發生原因

（1）虛擬機棧中，棧幀過多（無限遞歸），如圖1棧幀過多；

（2）每個棧幀所佔用過大，如圖2 棧幀過大。

3.2.2 棧內存溢出小實驗

3.2.2.1 棧幀過多的小實驗

無限遞歸調用（棧幀過多）的小實驗，method1()方法在主方法中無限調用自己，那麼會發生什麼情況呢？

答案很明顯，程序崩潰了，產生了棧內存溢出錯誤，如下圖所示：

-Xss:該參數規定了每個線程虛擬機棧的大小；

接着我們通過設置一個虛擬機棧的大小是256k試試會發生什麼？

我們發現當我們調整了虛擬機棧的大小後執行了4315次方法後內存就溢出了，而調整虛擬機棧之前，我們是23268次，很明顯我們可以通過-Xss參數調整虛擬機棧的大小來控制內存的溢出情況。

3.2.2.2 線程運行診斷小實驗

想象中的場景，大佬在瘋狂輸出，突然CPU爆表了，顯示CPU佔用過多，如何去定位哪行代碼的問題，是的是哪行（大佬都很忙的好嗎，當然要精確了，一分鐘幾千萬上下的，O(∩_∩)O哈哈~）？

Linux環境下：

在後臺運行Stack_6這個java字節碼（.class）文件：

注：無論是否將nohup命令的輸出重定向到終端,輸出都將附加到當前目錄的 nohup.out 文件中。

（1）通過top命令，查看進程（相當於任務管理器），發現了一個佔用CPU達到100%的可疑傢伙，這還了得，趕緊瞅瞅具體發生了什麼，還有沒有王法，這讓其他小夥伴還怎麼愉快的玩耍，秒速糾錯ING。。。

注：top命令，查看哪個進程佔用CPU過高，返回進程號。

（2）通過ps H -eo pid,tid ,%cpu | grep 命令過濾任務管理器中的內容。

注：ps H -eo pid,tid,%cpu |grep，是通過ps命令查看哪個線程佔用CPU過高，返回進程id，其中pid爲進程id，tid爲線程id，%cpu爲CPU佔用情況；

發現了罪魁禍首，這一串串心驚肉跳的紅色。。。

（3）通過jstack 進程id查看，20389這個有問題的進程中具體的情況。

注：jstack 進程id，是通過jstack 命令定位具體哪段代碼出現佔用CPU過高，注意jstack命令查找的線程id是16進制的，需要轉換；

發現裏面有一堆執行的代碼，那麼我們怎麼找到具體是哪個傢伙搞事情的呢？上圖我們可以發現搞事情的線程是20441，那麼我們通過計算器將20441轉換爲16進制的4FD9再去試試，真相只有一個。

通過對比nid（線程id）4fd9，我們發現這個叫thread1的線程一直在運行（RUNNABLE狀態），並且查看到位置是位於Stack_6.java文件的第11行出現的問題。。。

現在我們回到源碼中，在Stack_6文件的第11行，我們發現原來這裏一直在執行死循環，終於找到你，還好我沒放棄，奈斯~

4. JVM內存結構-本地方法棧

4.1 定義

由於Java本身有時候是無法直接和操作系統底層交互的，但有時候需要Java調用本地的C或C++方法，所以此時本地方法棧應運而生，它們是一類帶有native關鍵字的方法。

5. JVM內存結構-堆

5.1 定義

Heap堆：是通過new關鍵字創建的對象存放在堆中

5.2 特點

5.2.1線程共享

堆中存放的對象都是線程共享的，因此都是需要考慮線程安全問題的。

5.2.2有垃圾回收機制

因爲堆中存放的對象存放了大量的對象，因此給他配了個小助手——垃圾回收機制（可以調自動擋和手動擋哦~）。

5.3 堆內存溢出小實驗

5.3.1 修改堆內存大小參數的小實驗

繼續幻想一個場景，當一個大佬開發完一個段代碼的時候（當然一般大佬都是很自信的，我寫的代碼怎麼可能有問題，不存在的。。。），但是測試可跑不了，穩妥起見咱們還是默默得搞測試試試嘛，安全第一。但是機器的內存就這麼大，大佬肯定跑了很多次了，都沒出現問題的，這不是找茬嘛。。。還是默默改下機子參數再試試吧（想去懟大佬，一定要拿出證據嘛~）。

-Xmx：JVM調優參數之一，該參數表示java堆可以擴展到的最大值。下面上案例：