51工具盒子作者：追风少年潇歌
原文链接： https://www.cnblogs.com/hyxiao97/p/15395886.html
今天给大家分享一下面试官上来就喜欢问的 JVM 干货。
1、内存布局 {#toc_h2_0}
JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的稳定高效运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在部分差异。结合JVM虚拟机规范，一起来探讨jVM的内存布局。如下图所示：
2、Heap 堆区 {#toc_h2_1}
Heap 堆区是Java发生 OOM （Out Of Memory）故障的地方，堆中存储着我们平时创建的 实例对象 ，最终这些不再使用的对象会被垃圾收集器回收掉，而且 堆是线程共享的 。一般情况下，堆所占用的内存空间是JVM内存区域中最大的，我们在平时编码中，创建对象如果不加以克制，内存空间也会被耗尽。堆的内存空间是可以 自定义大小 的，同时也支持在 运行时动态修改 ，通过 -Xms 、 -Xmx 这两参数去改变堆的 初始值 和 最大值 。 -X 指的是JVM运行参数， ms 是memory start的简称，代表的是 最小堆容量 ， mx 是memory max的简称，代表的是 最大堆容量 ；如 -Xms256M代表堆的初始值是256M，-Xmx1024M代表堆的最大值是1024M。由于堆的内存空间是可以动态调整的，所以在服务器运行的时候，请求流量的不确定性可能会导致我们堆的内存空间不断调整，会增加服务器的压力，所以我们一般都会将JVM的 Xms 和 Xmx 的值设置成一样，同样也为了避免在 GC （垃圾回收）之后调整堆大小时带来的额外压力。
堆区分为两大区： Young 区和 Old 区，又称 新生代 和 老年代 。对象刚创建的时候，会被创建在 新生代 ， 到一定阶段之后会移送至老年代 ，如果创建了一个新生代无法容纳的新对象，那么这个新对象也可以创建到老年代。如上图所示。 新生代 分为1个 Eden 区和2个 S区 ，S代表 Survivor 。大部分的对象会在 Eden区 中生成，当Eden区没有足够的空间容纳新对象时，会触发Young Garbage Collection，即 YGC 。在Eden区进行垃圾清除时，它的策略是会把 没有引用的对象直接给回收掉，还有引用的对象会被移送到Survivor区 。Survivor区有 S0 和 S1 两个内存空间， 每次进行YGC的时候，会将存活的对象复制到未使用的那块内存空间，然后将当前正在使用的空间完全清除掉，再交换两个空间的使用状况 。如果YGC要移送的对象Survivor区无法容纳，那么就会将该对象直接移交给老年代。上面说了，到 一定阶段 的对象会移送到老年区，这是什么意思呢？每一个对象都有一个计数器，当每次进行YGC的时候，都会 +1 。通过 -XX:MAXTenuringThrehold 参数可以配置当计数器的值到达某个阈值时，对象就会从新生代移送至老年代。该参数的默认值为15，也就是说 对象在Survivor区中的S0和S1内存空间交换的次数累加到15次之后，就会移送至老年代 。如果参数配置为1，那么创建的对象就会直接移送至老年代。具体的对象分配即回收流程可观看下图所示。
如果 Survivor 区无法放下，或者创建了一个超大新对象， Eden 和 Old 区都无法存放，就会触发Full Garbage Collection，即 FGG ，便再尝试放在 Old 区，如果还是容纳不了，就会抛出 OOM 异常。在不同的JVM实现及不同的回收机制中，堆内存的划分方式是不一样的。
3、Metaspace 元空间 {#toc_h2_2}
在JDK8版本中，元空间的前身 Pern 区已经被淘汰。在JDK7及之前的版本中， Hotspot 还有 Pern 区，翻译为永久代，在启动时就已经确定了大小，难以进行调优，并且只有 FGC 时会移动类元信息。不同于之前版本的 Pern （永久代），JDK8的 元空间 已经在 本地内存 中进行分配，并且， Pern 区中的所有内容中 字符串常量 移至 堆内存 ，其他内容也包括了 类元信息 、 字段 、 静态属性 、 方法 、 常量 等等都移至 元空间 内。
4、JVM Stacks 虚拟机栈 {#toc_h2_3}
栈（Stack）是一个 先进后出 的数据结构，先进后出怎么理解？类似于我们平时打羽毛球时，装羽毛球的球筒，第一个先放进去的往往最后一个才能拿出来，最后放进去的一个最先拿出来。
相对于基于寄存器的运行环境来说，JVM是基于 栈结构 的运行环境。因为栈结构移植性更好，可控性更强。JVM的虚拟机栈是描述Java方法执行的内存区域，并且是 线程私有 的。 栈中的元素用于支持虚拟机进行方法调用，每个方法从开始调用到执行完成的过程，就是栈帧从入帧到出帧的过程。 在活动线程中，只有位于栈顶的帧才是有效的，称为 当前栈帧 。正在执行的方法称为 当前方法 ，栈帧是方法运行的基本结构。在执行引擎运行时，所有指令都只能针对当前栈帧进行操作。而StackOverflowError表示请求的栈溢出，导致内存耗尽，通常出现在递归方法中。如果把 JVM 当做一个棋盘， 虚拟机栈 就是棋盘上的将/帅， 当前方法的栈帧 就是棋子能走的区域，而 操作栈 就是每一个棋子。操作栈的压栈和出栈如下图所示：
虚拟机栈通过 压栈 和 出栈 的方式，对每个方法对应的活动栈帧进行运算处理，方法正常执行结束，肯定会跳转到另外一个栈帧上。在执行的过程中，如果出现异常，会进行异常回溯，返回地址通过异常处理表确定。栈帧在整个JVM体系中的地位颇高，包括 局部变量表 、 操作栈 、 动态连接 、 方法返回地址 等。
下面对栈帧的各个活动栈帧进行简要的分析
(1) 局部变量表 {#toc_h3_4}
局部变量表是存放 方法参数 和 局部变量 的区域。我们都知道，类属性变量一共要经历两个阶段，分为 准备阶段 和 初始化阶段 ，而局部变量是没有准备阶段，只有 初始化阶段 ，而且必须是 显式 的。如果是非静态方法，则在index[0]位置上存储的是 方法所属对象的实例引用 ，随后存储的是 参数 和 局部变量 。字节码指令中的STORE指令就是 将操作栈中计算完成的局部变量写回局部变量表的存储空间内 。
(2) 操作栈 {#toc_h3_5}
操作栈是一个 初始状态为空的桶式结构栈 。在方法执行过程中，会有各种指令往栈中写入和提取信息。JVM的执行引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是 操作栈 。字节码指令集的定义都是 基于栈类型 的，栈的深度在方法元信息的stack属性中，下面就通过一个例子来说明下操作栈与局部变量表的交互：
public int add() { int x = 10; int y = 20; int z = x + y; return z; }
<svg>
<use xlink:href="#vditor-icon-copy" />
</svg>
</span>
public int add() {
int x = 10;
int y = 20;
int z = x + y;
return z;
}
</code>
</pre>
字节码操作顺序如下：
```java
public int add(); Code: 0: bipush 10 // 常量 10 压入操作栈 2: istore_1 // 并保存到局部变量表的 slot_1 中 （第 1 处） 3: bipush 20 // 常量 20 压入操作栈 5: istore_2 // 并保存到局部变量表的 slot_2 中 6: iload_1 // 把局部变量表的 slot_1 元素（int x）压入操作栈 7: iload_2 // 把局部变量表的 slot_2 元素（int y）压入操作栈 8: iadd // 把上方的两个数都取出来，在 CPU 里加一下，并压回操作栈的栈顶 9: istore_3 // 把栈顶的结果存储到局部变量表的 slot_3 中 10: iload_3 11: ireturn // 返回栈顶元素值
<svg>
<use xlink:href="#vditor-icon-copy" />
</svg>
</span>
public int add();
Code:
0: bipush 10 // 常量 10 压入操作栈
2: istore_1 // 并保存到局部变量表的 slot_1 中 （第 1 处）
3: bipush 20 // 常量 20 压入操作栈
5: istore_2 // 并保存到局部变量表的 slot_2 中
6: iload_1 // 把局部变量表的 slot_1 元素（int x）压入操作栈
7: iload_2 // 把局部变量表的 slot_2 元素（int y）压入操作栈
8: iadd // 把上方的两个数都取出来，在 CPU 里加一下，并压回操作栈的栈顶
9: istore_3 // 把栈顶的结果存储到局部变量表的 slot_3 中
10: iload_3
11: ireturn // 返回栈顶元素值
</code>
</pre>
第 1 处说明：局部变量表就像一个快递柜，有着很多的柜子，依次编号为1,2,3，...，n，字节码指令 ` istore_1 ` 就代表打开了 1 号柜子，再把栈顶中的值 10 存进去。栈就好如一个桶，任何时候只能对桶口的元素进行操作，所以数据只能在栈顶进行存取。部分指令可以直接在柜子里面直接进行，比如 ` iinc ` 指令，直接对抽屉里的数值进行 ` +1 ` 操作。我们经常遇到的 i++ 和 ++i，通过字节码对比起来，答案一下子就一目了然了。如下表格所示：
左列中， ` iload_1 ` 从局部变量表的第1号柜子取出一个数，压入栈顶，下一步直接在柜子（局部变量表）里实现 + 1的操作，而这个操作时对栈顶元素的值没有任何影响，所以 ` istore_2 ` 只是把栈顶元素赋值给 a，而右列，它是先在柜子（局部变量表）里面进行 +1的操作，然后再通过 ` iload_1 ` 把第1号柜子里的数压入栈顶，所以 ` istore_2 ` 赋给a的值是 +1 之后的值。扩展下，i++ 并非是原子操作。即使通过 ` volatile ` 关键字来修饰，多线程情况下，还是会出现数据互相覆盖的情况。
### (3) 动态连接 {#toc_h3_6}
每个栈帧中包含一个 ` 在常量池中对当前方法的引用 ` ，目的是 ` 支持方法调用过程的动态连接 ` 。
### (4) 方法返回地址 {#toc_h3_7}
方法执行时有两种退出情况：第一，正常退出，即 ` 正常执行到任何方法的返回字节码指令 ` ，如 ` RETURN ` 、 ` IRETURN ` 、 ` ARETURN ` 等；第二，异常退出。 ` 无论何种退出情况，都将返回方法当前被调用的位置 ` 。方法退出的过程相当于弹出当前栈帧，而退出可能有三种方式：
* 返回值压入上层调用栈帧。
* 异常信息抛给能够处理的栈帧。
* PC 计数器指向方法调用后的下一条指令。
5、Native Method Stacks（本地方法栈） {#toc_h2_8}
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本地方法栈（Native Method Stack）在JVM内存布局中，也是 ` 线程对象私有 ` 的，但是虚拟机栈"主内"，而本地方法栈"主外"。这个"内外"是针对JVM来说的，本地方法栈为 ` Native方法 ` 服务。线程开始调用本地方法时，会进入一个不再受JVM约束的世界。本地方法可以通过 ` JVNI ` （Java Native Interface）来访问虚拟机运行时的数据区，甚至可以调用寄存器，具有和JVM相同的能力和权限。当大量本地方法出现时，势必会削弱JVM对系统的控制力，因为它的出错信息都比较黑盒，难以捉摸。对于内存不足的情况，本地方法栈还是会抛出 ` native heap OutOfMemory ` 。
重点说下JNI类本地方法，最常用的本地方法应该是 ` System.currentTimeMills() ` ， ` JNI ` 使Java深度使用操作系统的特性功能，复用非Java代码。但是在项目过程中，如果大量使用其他语言来实现 ` JNI ` ，就会丧失跨平台特性，威胁到程序运行的稳定性。假如需要与本地代码交互，就可以用中间标准框架来进行解耦，这样即使本地方法崩溃也不至于影响到 ` JVM ` 的稳定。
6、Program Counter Register （程序计数寄存器） {#toc_h2_9}
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在程序计数寄存器（Program Counter Register，PC）中，Register的命名源于CPU的寄存器， ` CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行 ` 。寄存器存储指令相关的现场信息，由于CPU时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一个指令。这样必然会导致经常中断或恢复，如何才能保证分毫无差呢？每个线程在创建之后，都会产生自己的 ` 程序计数器 ` 和 ` 栈帧 ` ， ` 程序计数器 ` 用来存放 ` 执行指令的偏移量和行号指示器等 ` ，线程执行或恢复都要依赖 ` 程序计数器 ` 。 ` 程序计数器在各个线程之间互不影响，此区域也不会发生内存溢出异常 ` 。
7、小结 {#toc_h2_10}
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最后，从线程的角度来看，堆和元空间是所有线程共享的，而虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程内部私有的，我们以线程的角度再来看看Java的内存结构图：
参考自《码出高效》
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标题：JVM之内存布局详解，图文并茂
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