jvm系列（1）内存结构

在一开始学习java的时候，那时候是在网上看视频，老师就经常提到什么对象分配在堆区，什么在栈区，那时候和理解，后来理解了就想着写一篇文章好好的去梳理一下。

这个内存结构是基于java8的内存结构，最文章末尾也会和java7的内存结构进行一个比较，看看哪些地方进行了改变，这些改变对性能的影响是什么。
还有一点这个是基于Hotspot虚拟机来说的。

先给一张java8的内存结构图吧（我用Windows里面的画图工具画的）

首先对这个图有一个认识，从上面可以看到java8的内存结构大致分了五个部分：PC寄存器，java虚拟机栈、本地方法栈、java堆、方法区。其中PC寄存器、java虚拟机栈和本地方法栈是所有线程共享的一块内存区域。java堆和方法区是每一个线程独享的一块区域，还有一个运行时常量池。

接下来看一看每一块区域里面存放的什么？

一、PC寄存器

在大学的时候学过计算机组成原理的时候都知道，内存里面有很多寄存器，大概几百个吧（目前），每一种寄存器的用途都不一样，其中有一个寄存器就是程序计数器。这个寄存器的主要作用就是存放下一条需要执行的指令。这是因为在一个时刻，一个处理器只能执行一条线程中的指令。就好比说我们的程序代码假如是一行一行执行的，程序计数器永远指向下一行需要执行的字节码指令。在循环结构中，我们就可以改变程序计数器中的值，来改变下一条需要执行的指令。并且每一个线程都有一个程序计数器。如果当前执行的是 Java 的方法，则该寄存器中保存当前执行指令的地址；倘若执行的是native 方法，则PC寄存器中为空（Undefined）。PC寄存区区域就是存放了N多个这样的寄存区。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。因此可以把他的几个特点归纳如下。

程序计数器指定下一条需要执行的指令
每一个线程独享一个程序寄存器
执行java代码时，寄存器保存当前指令地址
执行native方法时候，寄存器为空。
不会造成OutOfMemoryError情况

二、Java虚拟机栈

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型，每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。它的生命周期与线程相同。每个线程有一个私有的栈，随着线程的创建而创建。栈里面存着的是一种叫“栈帧”的东西，每个方法会创建一个栈帧，栈帧中存放了局部变量表（基本数据类型和对象引用）、操作数栈、方法出口等信息。

局部变量表里存放了编译期间可知的各种基本数据类型（8种）、对象引用、returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。64位长度的long和double类型占用2个局部变量空间（Slot），其余数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

栈的大小可以固定也可以动态扩展。当栈调用深度大于JVM所允许的范围，会抛出StackOverflowError的错误。如果扩展时无法申请到足够的内存，会抛出OutOfMemoryError异常。

来一张看一下比较直观吧。

三、本地方法栈（Native Method Stack）

与虚拟机栈类似，区别是虚拟机栈执行java方法，本地方法站执行native方法。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方法与数据结构没有强制规定，因此虚拟机可以自由实现它。本地方法栈可以抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。不过这块区域我们不怎么去关心。

四、Java堆

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建，用来存放对象实例。是内存中最大的一块区域。垃圾收集器（GC）在该区域回收不使用的对象的内存空间。但是并不是所有的对象都在这保存，深入理解java虚拟机中说道，随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量调换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配在堆上也逐渐变得不那么绝对了。

堆的大小可以固定也可以动态扩展，可通过-Xms（最小值）和-Xmx（最大值）参数设置，如果在堆中没有内存完成实例分配，且堆也无法在扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

五、方法区

方法区也是所有线程共享。主要用于存储类的信息、常量池、静态变量、及时编译器编译后的代码等数据。方法区逻辑上属于堆的一部分。通常又叫“Non-Heap（非堆）”。

一个例子理解全部

为了理解的比较深刻，先给一个例子。通过例子讲解印象更加深刻吧，假设我们在idea或者是任何IDE环境中定义了一个类。

有一个person类

public class Person{
int age;
String name;
Baby baby;
public void walk() {
System.out.println("我正在走路。。。。");
}
}

还有个Baby类

public class Baby{
   String babyname;
   int babyAge;
   public void cry(){
       System.out.println("我是孩子，我会哭");
  }
}

最后是一个测试类Test

public class Test {
public static void main(String[] args) {
Person person = new Person();
person.name = "冯冬冬的IT技术栈";
person.age = 18;
person.walk();

Baby baby= new Baby();
baby.babyname = "冯XX";
System.out.println(baby.babyname);

person.baby = baby;
System.out.println(pserson.baby.cry);
}
}

好了有了上面的环境，接下来就开始分析这些代码在运行时内存的变化。现在在我们的IDE开始运行。

第一步，JVM去方法区寻找Test类的代码信息，如果有直接调用，没有的话使用类的加载机制把类加载进来。同时把静态变量、静态方法、常量加载进来。这里加载的是（“冯冬冬的IT技术栈”，“冯XX”）；这是因为字符串是常量，age中的18是基本类型。
第二步，jvm进入main方法，看到Person person=new Person()。首先分析Person这个类，同样的寻找Person类的代码信息，有就加载，没有的话类加载机制加载进来。同时也加载静态变量、静态方法、常量（“我正在走路。。。”）
第三步，jvm接下来看到了person，person在main方法内部，因而是局部变量，存放在栈空间中。
第四步，jvm接下来看到了new Person()。new出的对象（实例），存放在堆空间中。
第五步，jvm接下来看到了“=”，把new Person的地址告诉person变量，person通过四字节的地址（十六进制），引用该实例。是不是有点晕，别着急，画个图看一下。
第六步，jvm看到person.name = "冯冬冬的IT技术栈";person通过引用new Person实例的name属性，该name属性通过地址指向常量池的"冯冬冬的IT技术栈"。
第七步，jvm看到person.age = 18; person的age属性是基本数据类型，直接赋值。
第八步，jvm看到person.walk(); 调用实例的方法时，并不会在实例对象中生成一个新的方法，而是通过地址指向方法区中类信息的方法。走到这一步再看看图怎么变化的。
第九步，jvm看到Baby baby=new Baby().这个过程和Person person = new Person()一样
第十步，jvm看到baby.babyname = "冯XX";这个过程也和person.name = "冯冬冬的IT技术栈";一样。
第十一步，jvm看到person.baby = baby;把baby对象引用赋值给Person实例的baby属性属性。

好了，到了这一步，应该对jvm的内存结构有一个详细的认识了。这就结束了，当然还没，我说过这是对java8的内存结构的分析，所以还要解释一下两个名词：永久代(PermGen)和元空间(Metaspace)。

首先是永久代：

我们常见的 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space "这个异常。这里的 “PermGen space”其实指的就是方法区。不过方法区和“PermGen space”又有着本质的区别。前者是 JVM 的规范，而后者则是 JVM 规范的一种实现，并且只有 HotSpot 才有 “PermGen space”。由于方法区主要存储类的相关信息，所以对于动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。

然后是元空间

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：

-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。

-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。

除了上面两个指定大小的选项以外，还有两个与 GC 相关的属性：

-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集

可以这样说在Java8中对永久代进行了完全删除。

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