目錄JVM的內(nèi)存模型Java “一次運(yùn)行，到處編譯” 的真面目JVM的本質(zhì)和位置JVM的內(nèi)存模型總覽線程私有區(qū)域線程共享區(qū)域直接內(nèi)存從例子來理解內(nèi)存模型JVM的內(nèi)存模型Java “一次運(yùn)行，到處編譯” 的真面目

說JVM內(nèi)存模型之前，先聊一個老生常談的問題，為什么Java可以 “一次編譯，到處運(yùn)行”，這個話題最直接的答案就是，因為Java有JVM啊，解釋這個答案之前，我想先回顧一下一個語言被編譯的過程：

一般編程語言的編譯過程大抵就是，編譯——連接——執(zhí)行，這里的編譯就是，把我們寫的源代碼，根據(jù)語義語法進(jìn)行翻譯，形成目標(biāo)代碼，即匯編碼。再由匯編程序翻譯成機(jī)器語言（可以理解為直接運(yùn)行于硬件上的01語言）；然后進(jìn)行連接，所謂連接就是將目標(biāo)代碼與函數(shù)庫相連接，并將源程序所用的庫代碼與目標(biāo)代碼合并，并形成最終可執(zhí)行的二進(jìn)制機(jī)器代碼（程序）。

編譯運(yùn)行的整個流程，有一個前提，那就是到匯編的層面，指令編碼就和處理器的架構(gòu)強(qiáng)關(guān)聯(lián)了，說白點(diǎn)就是和硬件關(guān)聯(lián)了，可以粗暴的理解為，一類硬件機(jī)器只認(rèn)識一種匯編，一種機(jī)器只認(rèn)一種機(jī)器碼。在這個基礎(chǔ)下，很容易就會發(fā)現(xiàn)一個問題，一個編程語言經(jīng)過編譯、連接形成的可運(yùn)行的機(jī)器碼X，可以在硬件環(huán)境1的情況下運(yùn)行，當(dāng)機(jī)器碼X到硬件環(huán)境2，就未必可以運(yùn)行了，或者說運(yùn)行結(jié)果就不是硬件環(huán)境1的結(jié)果了，所以，同一個程序，換臺PC，我們就可能需要重新編譯、打包成可運(yùn)行在當(dāng)前硬件環(huán)境的程序。這樣在工程化運(yùn)用中真的是災(zāi)難。

現(xiàn)在我們回到開篇問題的答案，之所以Java可以“一次編譯，到處運(yùn)行”，是因為有JVM，為了便于理解，我們可以這樣認(rèn)為：JVM就是一個完備的中間環(huán)境，它提供編譯運(yùn)行Java字節(jié)碼的全套環(huán)境，換句話說，它就像一個小隔離空間，我的Java程序只要編譯一次，只要滿足可以跑在JVM中，那它就可以隨便移植在任何硬件環(huán)境中，所以Java的“一次編譯，到處運(yùn)行”的本質(zhì)就是，它處處都要依賴JVM，它其實就是一個運(yùn)行在JVM中的寄生蟲，這也是為什么想要運(yùn)行環(huán)境，你就必須要裝JDK的原因。

JVM的本質(zhì)和位置

上面的理解只不過是為了更快的入戲，但是上面的理解過于粗暴，下面細(xì)膩一下JVM的性質(zhì)以及它所處的位置：

通常工作中所接觸的基本是Java庫和應(yīng)用以及Java核心類庫，知道如何使用就可以了，但是歸根結(jié)底代碼都是要編譯成class文件由Java虛擬機(jī)裝載執(zhí)行，所產(chǎn)生的結(jié)果或者現(xiàn)象都可以通過Java虛擬機(jī)的運(yùn)行機(jī)制來解釋。一些相同的代碼會由于虛擬機(jī)的實現(xiàn)不同而產(chǎn)生不同結(jié)果。

然后是我們要介紹的JVM，首先我們要明確一個概念，JVM它并不是某一個具體的產(chǎn)品，也不是一個成品的軟件，更準(zhǔn)確地說JVM是一種理論規(guī)范，對JVM的具體實現(xiàn)要么是軟件，要么是軟件和硬件的組合，JVM可以由不同的廠商來實現(xiàn)成不同的產(chǎn)品。由于廠商的不同必然導(dǎo)致JVM在實現(xiàn)上的一些不同，像國內(nèi)就有著名的TaobaoVM；

在Java平臺的結(jié)構(gòu)中,可以看出，Java虛擬機(jī)(JVM)處在核心的位置，是程序與底層操作系統(tǒng)和硬件無關(guān)的關(guān)鍵。它的下方是移植接口，移植接口由兩部分組成：適配器和Java操作系統(tǒng),其中依賴于平臺的部分稱為適配器；JVM通過移植接口在具體的平臺和操作系統(tǒng)上實現(xiàn)；在JVM的上方是Java的基本類庫和擴(kuò)展類庫以及它們的API， 利用Java API編寫的應(yīng)用程序(application)和小程序(Java applet)可以在任何Java平臺上運(yùn)行而無需考慮底層平臺,就是因為有Java虛擬機(jī)(JVM)實現(xiàn)了程序與操作系統(tǒng)的分離，從而實現(xiàn)了Java的平臺無關(guān)性。

JVM在它的生存周期中有一個明確的任務(wù)，那就是裝載字節(jié)碼文件，一旦字節(jié)碼進(jìn)入虛擬機(jī)，它就會被解釋器解釋執(zhí)行，或者是被即時代碼發(fā)生器有選擇的轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼執(zhí)行，即Java程序被執(zhí)行。因此當(dāng)Java程序啟動的時候，就產(chǎn)生JVM的一個實例；當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束的時候，該實例也跟著消失了。

JVM的內(nèi)存模型總覽

總體來講，JVM會將Java進(jìn)程所管理的內(nèi)存劃分為若干不同的數(shù)據(jù)區(qū)域. 這些區(qū)域有各自的用途、創(chuàng)建/銷毀時間。以上這張圖，就是Java的編譯運(yùn)行過程，上半部分（運(yùn)行時區(qū)域）其實就是JVM的內(nèi)存分配，它把從操作系統(tǒng)獲取來的內(nèi)存空間進(jìn)行了獨(dú)立的劃分，分別為方法區(qū)、堆、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計數(shù)器。下半部分就是連接——運(yùn)行階段的，JVM將Java語言處理完畢，變成適配與當(dāng)前機(jī)器的機(jī)器碼，然后與本地庫進(jìn)行連接，運(yùn)行。

線程私有區(qū)域

線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域生命周期與線程相同, 依賴用戶線程的啟動/結(jié)束而創(chuàng)建/銷毀(在Hotspot VM內(nèi), 每個線程都與操作系統(tǒng)的本地線程直接映射, 因此這部分內(nèi)存區(qū)域的存/否跟隨本地線程的生/死)。

程序計數(shù)器

一塊較小的內(nèi)存空間, 作用是當(dāng)前線程所執(zhí)行字節(jié)碼的行號指示器(類似于傳統(tǒng)CPU模型中的PC), PC在每次指令執(zhí)行后自增, 維護(hù)下一個將要執(zhí)行指令的地址. 在JVM模型中, 字節(jié)碼解釋器就是通過改變PC值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令,分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴PC完成(僅限于Java方法, Native方法該計數(shù)器值為undefined).不同于OS以進(jìn)程為單位調(diào)度, JVM中的并發(fā)是通過線程切換并分配時間片執(zhí)行來實現(xiàn)的. 在任何一個時刻, 一個處理器內(nèi)核只會執(zhí)行一條線程中的指令. 因此, 為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置, 每條線程都需要有一個獨(dú)立的程序計數(shù)器, 這類內(nèi)存被稱為“線程私有”內(nèi)存。

JAVA代碼編譯后的字節(jié)碼在未經(jīng)過JIT（實時編譯器）編譯前，其執(zhí)行方式是通過“字節(jié)碼解釋器”進(jìn)行解釋執(zhí)行。簡單的工作原理為解釋器讀取裝載入內(nèi)存的字節(jié)碼，按照順序讀取字節(jié)碼指令。讀取一個指令后，將該指令“翻譯”成固定的操作，并根據(jù)這些操作進(jìn)行分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)等流程。

從上面的描述中，可能會產(chǎn)生程序計數(shù)器是否是多余的疑問。因為沿著指令的順序執(zhí)行下去，即使是分支跳轉(zhuǎn)這樣的流程，跳轉(zhuǎn)到指定的指令處按順序繼續(xù)執(zhí)行是完全能夠保證程序的執(zhí)行順序的。假設(shè)程序永遠(yuǎn)只有一個線程，這個疑問沒有任何問題，也就是說并不需要程序計數(shù)器。但實際上程序是通過多個線程協(xié)同合作執(zhí)行的。

首先我們要搞清楚JVM的多線程實現(xiàn)方式。JVM的多線程是通過CPU時間片輪轉(zhuǎn)（即線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間）算法來實現(xiàn)的。也就是說，某個線程在執(zhí)行過程中可能會因為時間片耗盡而被掛起，而另一個線程獲取到時間片開始執(zhí)行。當(dāng)被掛起的線程重新獲取到時間片的時候，它要想從被掛起的地方繼續(xù)執(zhí)行，就必須知道它上次執(zhí)行到哪個位置，在JVM中，通過程序計數(shù)器來記錄某個線程的字節(jié)碼執(zhí)行位置。因此，程序計數(shù)器是具備線程隔離的特性，也就是說，每個線程工作時都有屬于自己的獨(dú)立計數(shù)器。

程序計數(shù)器的特點(diǎn)

1.線程隔離性，每個線程工作時都有屬于自己的獨(dú)立計數(shù)器。

2.執(zhí)行java方法時，程序計數(shù)器是有值的，且記錄的是正在執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址（參考上一小節(jié)的描述）。

3.執(zhí)行native本地方法時，程序計數(shù)器的值為空（Undefined）。因為native方法是java通過JNI直接調(diào)用本地C/C++庫，可以近似的認(rèn)為native方法相當(dāng)于C/C++暴露給java的一個接口，java通過調(diào)用這個接口從而調(diào)用到C/C++方法。由于該方法是通過C/C++而不是java進(jìn)行實現(xiàn)。那么自然無法產(chǎn)生相應(yīng)的字節(jié)碼，并且C/C++執(zhí)行時的內(nèi)存分配是由自己語言決定的，而不是由JVM決定的。

4.程序計數(shù)器占用內(nèi)存很小，在進(jìn)行JVM內(nèi)存計算時，可以忽略不計。

5.程序計數(shù)器，是唯一一個在java虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError的區(qū)域。

虛擬機(jī)棧

這里的虛擬機(jī)棧主要是針對Java的方法執(zhí)行，我們都知道方法在編程中使用的是棧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；每個方法被執(zhí)行時會創(chuàng)建一個棧幀(Stack Frame)用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息. 每個方法被調(diào)用至返回的過程, 就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程(VM提供了-Xss來指定線程的最大棧空間, 該參數(shù)也直接決定了函數(shù)調(diào)用的最大深度)。這里特別說明一下局部變量表,這里的局部變量表，其實就是我們定義的方法內(nèi)部的變量，它基本的范圍包括基本數(shù)據(jù)類型(如boolean、int、double等) 、對象引用(reference : 不等同于對象本身, 可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返闹羔? 也可能指向一個代表對象的句柄或其他與此對象相關(guān)的位置），也就是我們私下常說的‘堆棧’中的‘棧’。

Java虛擬機(jī)使用局部變量表來完成方法調(diào)用時的參數(shù)傳遞。局部變量表的長度在編譯期已經(jīng)決定了并存儲于類和接口的二進(jìn)制表示中，一個局部變量可以保存一個類型為boolean、byte、char、short、float、reference和returnAddress的數(shù)據(jù)，兩個局部變量可以保存一個類型為long和double的數(shù)據(jù)。

Java虛擬機(jī)提供一些字節(jié)碼指令來從局部變量表或者對象實例的字段中復(fù)制常量或變量值到操作數(shù)棧中，也提供了一些指令用于從操作數(shù)棧取走數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)和把操作結(jié)果重新入棧。在方法調(diào)用的時候，操作數(shù)棧也用來準(zhǔn)備調(diào)用方法的參數(shù)以及接收方法返回結(jié)果。

每個棧幀中都包含一個指向運(yùn)行時常量區(qū)的引用支持當(dāng)前方法的動態(tài)鏈接。在Class文件中，方法調(diào)用和訪問成員變量都是通過符號引用來表示的，動態(tài)鏈接的作用就是將符號引用轉(zhuǎn)化為實際方法的直接引用或者訪問變量的運(yùn)行是內(nèi)存位置的正確偏移量。

總的來說，Java虛擬機(jī)棧是用來存放局部變量和過程結(jié)果的地方。Java虛擬機(jī)棧可能發(fā)生如下異常情況： 如果Java虛擬機(jī)棧被實現(xiàn)為固定大小內(nèi)存，線程請求分配的棧容量超過Java虛擬機(jī)棧允許的最大容量時，Java虛擬機(jī)將會拋出一個StackOverflowError異常。如果Java虛擬機(jī)棧被實現(xiàn)為動態(tài)擴(kuò)展內(nèi)存大小，并且擴(kuò)展的動作已經(jīng)嘗試過，但是目前無法申請到足夠的內(nèi)存去完成擴(kuò)展，或者在建立新的線程時沒有足夠的內(nèi)存去創(chuàng)建對應(yīng)的虛擬機(jī)棧，那Java虛擬機(jī)將會拋出一個OutOfMemoryError異常。

1.符號引用（Symbolic References）：

符號引用以一組符號來描述所引用的目標(biāo)，符號可以是任何形式的字面量，只要使用時能夠無歧義的定位到目標(biāo)即可。例如，在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等類型的常量出現(xiàn)。符號引用與虛擬機(jī)的內(nèi)存布局無關(guān)，引用的目標(biāo)并不一定加載到內(nèi)存中。在Java中，一個java類將會編譯成一個class文件。在編譯時，java類并不知道所引用的類的實際地址，因此只能使用符號引用來代替。比如org.simple.People類引用了org.simple.Language類，在編譯時People類并不知道Language類的實際內(nèi)存地址，因此只能使用符號org.simple.Language（假設(shè)是這個，當(dāng)然實際中是由類似于CONSTANT_Class_info的常量來表示的）來表示Language類的地址。各種虛擬機(jī)實現(xiàn)的內(nèi)存布局可能有所不同，但是它們能接受的符號引用都是一致的，因為符號引用的字面量形式明確定義在Java虛擬機(jī)規(guī)范的Class文件格式中。

2.直接引用：

直接引用可以是

（1）直接指向目標(biāo)的指針（比如，指向“類型”【Class對象】、類變量、類方法的直接引用可能是指向方法區(qū)的指針）

（2）相對偏移量（比如，指向?qū)嵗兞俊嵗椒ǖ闹苯右枚际瞧屏浚?/p>

（3）一個能間接定位到目標(biāo)的句柄

直接引用是和虛擬機(jī)的布局相關(guān)的，同一個符號引用在不同的虛擬機(jī)實例上翻譯出來的直接引用一般不會相同。如果有了直接引用，那引用的目標(biāo)必定已經(jīng)被加載入內(nèi)存中了。

本地方法棧

本地方法棧其實作用和虛擬機(jī)棧的作用一樣，不同的是，虛擬機(jī)棧是為虛擬機(jī)解析運(yùn)行Java方法，而本地方法棧是為虛擬機(jī)調(diào)用Native方法服務(wù)（Native方法簡單點(diǎn)來說就是一個java調(diào)用非java代碼的接口。一個Native 方法是這樣一個java的方法：該方法的實現(xiàn)由非java語言實現(xiàn)）

線程共享區(qū)域

這一區(qū)域的生命周期，同虛擬機(jī)一致，也就是虛擬機(jī)內(nèi)部的公共內(nèi)存區(qū)域，隨虛擬機(jī)的啟動/關(guān)閉而創(chuàng)建/銷毀

堆區(qū)

這里的堆，是虛擬機(jī)從操作系統(tǒng)那里申請來的的內(nèi)存空間，這塊空間是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊，并且是所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，Java堆在虛擬機(jī)啟動的時候被創(chuàng)建，主要用來為類實例對象和數(shù)組分配內(nèi)存。這塊區(qū)域可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣，在實現(xiàn)時，既可以實現(xiàn)成固定大小的，也可以是擴(kuò)展的，如果是可擴(kuò)展的，則通過（-Xmx和-Xms控制），如果在隊中沒有內(nèi)存完成實例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

Java堆是垃圾回收器管理的主要區(qū)域，很多時候也被稱為“GC”堆，在現(xiàn)在的實現(xiàn)上，堆被劃分成兩個不同的區(qū)域：新生代( Young )、老年代( Old )；這也就是JVM采用的“分代收集算法”，簡單說，就是針對不同特征的java對象采用不同的 策略實施存放和回收，自然所用分配機(jī)制和回收算法就不一樣。新生代( Young ) 又被劃分為三個區(qū)域：Eden、From Survivor、To Survivor。

方法區(qū)

方法區(qū)和Java堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲已被虛擬機(jī)加載的類信息，常量、靜態(tài)變量，還包括在類、實例、接口初始化時用到的特殊方法。虛擬機(jī)規(guī)范上把方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做“非堆”，目的就是與Java的堆區(qū)分開來。

直接內(nèi)存

直接內(nèi)存并不是JVM運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分, 但也會被頻繁的使用: 在JDK 1.4引入的NIO提供了基于Channel與Buffer的IO方式, 它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存, 然后使用DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作(詳見: Java I/O 擴(kuò)展), 這樣就避免了在Java堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù), 因此在一些場景中可以顯著提高性能。顯然, 本機(jī)直接內(nèi)存的分配不會受到Java堆大小的限制(即不會遵守-Xms、-Xmx等設(shè)置), 但既然是內(nèi)存, 則肯定還是會受到本機(jī)總內(nèi)存大小及處理器尋址空間的限制, 因此動態(tài)擴(kuò)展時也會出現(xiàn)OutOfMemoryError異常。

從例子來理解內(nèi)存模型

這里我們引入一個比較簡單的程序樣例，從具體的代碼角度去理解Jvm的內(nèi)存

一個person類

public class Persion { private String name; public static String aninmal = 'dog' public Persion(String name){this.name = name } public String getName() {return name; } public void setName(String name) {this.name = name; } }

一個App類

public class App { public static void main( String[] args ) {Persion persion1 = new Persion('張三'); Persion persion2 = new Persion('李四');persoion1.setName('王五')； } }

程序開始運(yùn)行，系統(tǒng)啟動了一個Java虛擬機(jī)進(jìn)程，Java虛擬機(jī)定位到方法區(qū)中App類的main()方法的字節(jié)碼，開始執(zhí)行它的指令。分別去創(chuàng)建Persion1和Persion2（這里我們以persion對象為跟蹤點(diǎn)）

1、程序從main方法開始執(zhí)行，既然提到了方法，根據(jù)上面的知識，我們知道，它首先會在棧區(qū)動工。在JAVA虛擬機(jī)進(jìn)程中，每個線程都會擁有一個方法調(diào)用棧，用來跟蹤線程運(yùn)行中一系列的方法調(diào)用過程，棧中的每一個元素就被稱為棧幀，每當(dāng)線程調(diào)用一個方法的時候就會向方法棧壓入一個新幀。這里的幀用來存儲方法的參數(shù)、局部變量和運(yùn)算過程中的臨時數(shù)據(jù)。這時候執(zhí)行main方法的主線程會在棧區(qū)申請一片區(qū)域。根據(jù)源碼，它會識別出persion1和persion2分別為兩個變量，并且給它們定性是方法內(nèi)局部變量，因此，它被會添加到了執(zhí)行main()方法的主線程的JAVA方法調(diào)用棧中。

2、 接下來就是 “=” 賦值操作了，Java虛擬機(jī)接受運(yùn)行指令，發(fā)現(xiàn)右側(cè)是個對象實例，于是就直奔方法區(qū)而去，試圖找到Persion類的類型信息。首次運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)并沒有找到Persion的信息，這時候Java虛擬機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則，在無法找到類信息的情況下，自行去加載Persion類，把Persion類的類型信息存放在方法區(qū)里。

3、 現(xiàn)在Persion類的信息已經(jīng)被加載到了方法區(qū)，這里Persion類中的靜態(tài)變量animal也會被填充上值“dog”存放于方法區(qū)，此時Java虛擬機(jī)根據(jù)我們代碼中的兩句new指令，分別去堆中劃出兩塊內(nèi)存區(qū)域，分別用于存放persion實例1和persion實例2，這兩個實例對象分別擁有自己獨(dú)立的內(nèi)存空間， 同時這倆實例持有著指向方法區(qū)的Persion類的類型信息的引用。這里所說的引用，實際上指的是Persion類的類型信息在方法區(qū)中的內(nèi)存地址，其實，就是有點(diǎn)類似于C語言里的指針，而這個地址呢，就存放了在persion實例1、persopn實例2的數(shù)據(jù)區(qū)里。我們也能發(fā)現(xiàn)persion實例1和persion實例2共享animal這個變量，也就是說，無論使用哪一個引用（persion1和persion2）去修改這個animal變量，任何一個Persion對象使用這個變量的時候，都會發(fā)生改變。

4、到此為止已經(jīng)將main方法中的兩個成員變量persion1和persion2分別關(guān)聯(lián)到了堆中的對象。當(dāng)Java虛擬機(jī)執(zhí)行到persion1.setName（）的時候，Java虛擬機(jī)根據(jù)main方法棧區(qū)中的persion1變量，定位到堆中的Persion名字為張三的實例（persion實例1），再根據(jù)這個實例所持有的類信息引用（或者說指針），定位到方法區(qū)的Persion類信息，從中獲得setName(String name)方法，然后棧區(qū)再壓入一個新幀，并在其中完成參數(shù)（String name）的復(fù)制，然后根據(jù)指令，將堆中的Persion實例1 空間中的Name變成“王五”，然后結(jié)束

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