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参考：
Java虚拟机详解02----JVM内存结构
深入理解java虚拟机 精华总结（面试）
深入理解JVM(一)——JVM内存模型
JIT与JVM的三种执行模式：解释模式、编译模式、混合模式

内存结构

JVM内存结构

JVM内存结构1

JVM内存结构2

1. 程序计数器
2. Java虚拟机栈
3. 本地方法栈
4. 堆
5. 方法区。

1. 程序计数器

**关键词：
行号指示器 当前线程执行的字节码指令的地址 线程私有 随着线程的生命周期 不会出现OutOfMemoryError
**

1.1. 什么是程序计数器？

程序计数器是一块较小的内存空间，可以把它看作当前线程正在执行的字节码的行号指示器。也就是说，程序计数器里面记录的是当前线程正在执行的那一条字节码指令的地址。
注：但是，如果当前线程正在执行的是一个本地方法，那么此时程序计数器为空。

1.2. 程序计数器的作用

程序计数器有两个作用：

1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
2. 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

1.3. 程序计数器的特点

1. 是一块较小的存储空间
2. 线程私有。每条线程都有一个程序计数器。
3. 是唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域。
4. 生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

2. Java虚拟机栈

关键字：
创建栈帧区域 存放局部变量表 操作数栈 动态链接 方法返回地址等
线程私有 随线程的生命周期
在方法运行时局部变量表的大小是不会发生改变

2.1. 什么是Java虚拟机栈？

Java虚拟机栈是描述Java方法运行过程的内存模型。
Java虚拟机栈会为每一个即将运行的Java方法创建一块叫做“栈帧”的区域，这块区域用于存储该方法在运行过程中所需要的一些信息，这些信息包括：

1. 局部变量表
   存放基本数据类型变量、引用类型的变量、returnAddress类型的变量。
2. 操作数栈
3. 动态链接
4. 方法返回地址
5. 等

当一个方法即将被运行时，Java虚拟机栈首先会在Java虚拟机栈中为该方法创建一块“栈帧”，栈帧中包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等。当方法在运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧的局部变量表中。
当这个方法执行完毕后，这个方法所对应的栈帧将会出栈，并释放内存空间。

注意：人们常说，Java的内存空间分为“栈”和“堆”，栈中存放局部变量，堆中存放对象。
这句话不完全正确！这里的“堆”可以这么理解，但这里的“栈”只代表了Java虚拟机栈中的局部变量表部分。真正的Java虚拟机栈是由一个个栈帧组成，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。

Java虚拟机栈

2.2. Java虚拟机栈的特点

1. 局部变量表的创建是在方法被执行的时候，随着栈帧的创建而创建。而且，局部变量表的大小在编译时期就确定下来了，在创建的时候只需分配事先规定好的大小即可。此外，在方法运行的过程中局部变量表的大小是不会发生改变的。
2. Java虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError和OutOfMemoryError。
   a) StackOverFlowError：
   若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前Java虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出StackOverFlowError异常。
   b) OutOfMemoryError：
   若Java虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，且当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展了，此时抛出OutOfMemoryError异常。
3. Java虚拟机栈也是线程私有的，每个线程都有各自的Java虚拟机栈，而且随着线程的创建而创建，随着线程的死亡而死亡。

注：StackOverFlowError和OutOfMemoryError的异同？
StackOverFlowError表示当前线程申请的栈超过了事先定好的栈的最大深度，但内存空间可能还有很多。
而OutOfMemoryError是指当线程申请栈时发现栈已经满了，而且内存也全都用光了。

3. 本地方法栈

关键字：
本地方法运行的内存模型 创建栈帧 存放本地的局部变量表等
抛两种异常

3.1. 什么是本地方法栈？

本地方法栈和Java虚拟机栈实现的功能类似，只不过本地方法区是本地方法运行的内存模型。

本地方法被执行的时候，在本地方法栈也会创建一个栈帧，用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间。

也会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常。

4. 堆

关键字：
在虚拟机启动时创建 存放对象的内存空间 线程共享
垃圾回收的主要场所
抛OutOfMemoryError异常

4.1. 什么是堆？

堆是用来存放对象的内存空间。
几乎所有的对象都存储在堆中。

4.2. 堆的特点

1. 线程共享
   整个Java虚拟机只有一个堆，所有的线程都访问同一个堆。而程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈都是一个线程对应一个的。
2. 在虚拟机启动时创建
3. 垃圾回收的主要场所。
4. 可以进一步细分为：新生代、老年代。
   新生代又可被分为：Eden、From Survior、To Survior。
   不同的区域存放具有不同生命周期的对象。这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法，从而更具有针对性，从而更高效。
5. 堆的大小既可以固定也可以扩展，但主流的虚拟机堆的大小是可扩展的，因此当线程请求分配内存，但堆已满，且内存已满无法再扩展时，就抛出OutOfMemoryError。

5. 方法区。

关键字：
方法区时堆中的逻辑部分 存放加载的类信息、常量、静态变量、编译后的代码等
线程共享
内存回收效率低

5.1. 什么是方法区？

Java虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分。
方法区中存放已经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。

5.2. 方法区的特点

1. 线程共享
   方法区是堆的一个逻辑部分，因此和堆一样，都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区。
2. 永久代
   方法区中的信息一般需要长期存在，而且它又是堆的逻辑分区，因此用堆的划分方法，我们把方法区称为老年代。
3. 内存回收效率低
   方法区中的信息一般需要长期存在，回收一遍内存之后可能只有少量信息无效。
   对方法区的内存回收的主要目标是：对常量池的回收 和 对类型的卸载。
4. Java虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。
   和堆一样，允许固定大小，也允许可扩展的大小，还允许不实现垃圾回收。

5.3. 什么是运行时常量池？

方法区中存放三种数据：类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。其中常量存储在运行时常量池中。

我们一般在一个类中通过public static final来声明一个常量。这个类被编译后便生成Class文件，这个类的所有信息都存储在这个class文件中。

当这个类被Java虚拟机加载后，class文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间，可以向常量池中添加新的常量。如：String类的intern()方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。

当运行时常量池中的某些常量没有被对象引用，同时也没有被变量引用，那么就需要垃圾收集器回收。

内存模型

1 内存间的交互操作

关于主内存与工作内存之间的具体协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存，如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了一下八种操作来完成：

lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。

unlock（解锁）：作用于主内存变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。

read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用

load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。

use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。

store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。

write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

每一个线程有一个工作内存。工作内存和主存独立。工作内存存放主存中变量的值的拷贝。

主内存和工作内存

当数据从主内存复制到工作内存时，必须出现两个动作：第一，由主内存执行的读（read）操作；第二，由工作内存执行的相应的load操作；
当数据从工作内存拷贝到主内存时，也出现两个操作：第一个，由工作内存执行的存储（store）操作；第二，由主内存执行的相应的写（write）操作。

每一个操作都是原子的，即执行期间不会被中断

对于普通变量，一个线程中更新的值，不能马上反应在其他变量中。如果需要在其他线程中立即可见，需要使用volatile关键字作为标识。

image.png

1、可见性：

一个线程修改了变量，其他线程可以立即知道

保证可见性的方法：

volatile：保持对内存可见 防止重排序

synchronized （unlock之前，写变量值回主存）

final(一旦初始化完成，其他线程就可见)

2、有序性：

在本线程内，操作都是有序的

在线程外观察，操作都是无序的。（指令重排 或 主内存同步延时）

3、指令重排：

指令重排

指令重排：破坏了线程间的有序性：

指令重排破坏了线程间的有序性

指令重排：保证有序性的方法：

指令重排：保证有序性的方法

指令重排的基本原则：

程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性

volatile规则：volatile变量的写，先发生于读

锁规则：解锁(unlock)必然发生在随后的加锁(lock)前

传递性：A先于B，B先于C 那么A必然先于C

线程的start方法先于它的每一个动作

线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）

线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码

对象的构造函数执行结束先于finalize()方法

jvm还有两种执行方式： 解释执行和编译执行
解释执行：

解释执行以解释方式运行字节码
解释执行的意思是：读一句执行一句

编译执行（JIT）：

将字节码编译成机器码
直接执行机器码
运行时编译
编译后性能有数量级的提升

编译执行的性能优于解释执行，新版本的jvm默认都是采用混合执行模式