高频八股——JVM的内存模型老是记不住？

钢板兽
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之前笔者在参加面试的时候，发现在八股拷打中最常见的一个问题就是：JVM的内存模型，而内存模型中涉及到的概念：虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区（元空间、永久代）、程序计数器等，以及垃圾回收器涉及到的新生代、老年代，这些错综复杂的八股，我看着都头大，于是便自己整理了JVM的内存模型，希望可以帮到大家。

JVM的内存模型是Java在程序运行时管理内存的规范，解决多线程环境下的可见性、有序性和原子性问题，所以我们在理解JVM时可以重点去关注：每部分内存是否线程公有、线程如何访问共享变量等线程执行角度相关的问题。

1.线程私有区：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器

虚拟机栈（也叫Java栈）和本地方法栈的作用和原理是一样的，只不过服务对象不同。虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，本地方栈为虚拟机使用到的本地方法服务，一个线程的生命周期中，可能都在执行Java方法，操作虚拟机栈；也有可能在执行Java方法的过程中又调用了本地方法，所以在虚拟机栈和本地方法栈之间切换。

所谓本地方法，即Native方法，其实就是一种交流机制，当我们的Java应用需要与其他环境交互时，比如与底层操作系统或者硬件系统交换信息，本地方法这时就可以发挥作用，为我们提供一个接口。

虚拟机中对本地方法栈中的方法所使用的编程语言、数据结构等并没有规范，不同的虚拟机有不同的实现方法，例如Sun HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一了。

虚拟机栈是线程私有的，和线程同时创建，用于存储栈帧，每个方法被调用时都会创建一个新的栈帧压入栈，栈帧包括局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址等。方法执行完毕后，栈帧会被弹出。

  • 局部变量表存放方法执行过程中使用的局部变量，包括方法参数和方法内部的局部变量。存储类型包括基本数据类型（int、long、double等）和对象的引用（引用类型变量，指向对象的内存地址，而不是对象本身）。
  • 操作数栈用于存储方法执行过程中的操作数以及中间计算结果，例如，在进行a + b操作时，a和b首先被推入操作数栈，执行完毕后结果也会被压入栈中。
  • 动态链接负责在运行时解析方法和字段的引用，当JVM调用一个方法时，它会根据方法区中的方法和字段的实际位置来解析符号引用，在查找到相应方法的内存地址后，将其转换为直接引用。
  • 返回地址用于保存方法调用完成后，程序需要返回的位置。每个方法调用时，栈帧会保存一个返回地址，它是调用方法后返回到的代码位置，通常是一个指向字节码指令的指针。

虚拟机栈的运行过程，图片来源于《深入理解高并发编程：核心原理与案例实战》

那么当一个Java线程调用Java方法和本地方法时从虚拟机栈到本地方法栈发生了什么样的切换？，如下图所示，当前线程依次调用了两个Java方法，第二个Java方法调用了本地方法，从而产生了本地方法栈。

本地方法栈也是线程私有的，和虚拟机栈有着相同的权限，可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区，也可以调用任何Java方法，所以在图中本地方法调用了新的Java方法，在虚拟机栈中产生了两个新的栈帧。

一个线程调用Java方法和本地方法时的栈，图片来源于网络

程序计数器也是线程私有的。在任何一个确定的时刻，一个处理器只会执行一条线程中的指令，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每个线程都需要有一个独立的程序计数器，并且生命周期和线程的生命周期保持一致，程序计数器用来存储指向下一条指令的地址，当线程切换时，由执行引擎读取当前线程的下一条指令，就知道从哪接着执行。

程序计数器是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都要依赖程序计数器完成。

程序计数器是整块内存中很小的一块空间，几乎可以忽略不计，也是运行速度最快的存储区域。

2.线程共享区：堆和方法区

堆和方法区都是线程共享区，多个线程可以同时访问堆中的对象或方法区中的类元数据，并且堆和方法区在JVM内存管理中都占据着相对较大的内存区域。

堆（Heap）是JVM中最大的一块内存区域，所有由我们创建的对象实例和数组（包括基本类型数组，如int[]、char[]和对象类型数组，如String[]、Object[]）都存放在堆区。

对象的回收由垃圾回收器负责。JVM的堆分为新生代和老年代，而堆的垃圾回收机制通过分代回收（Minor GC、Major GC等）来优化性能。

（1）新生代默认占整个堆的1/3，包含Eden区和两个Survivor区（S0、S1），对象创建时，优先分配在Eden区。当Eden区满时，会触发垃圾回收（minor GC），将存活对象移动到Survivor区。

（2）老年代占2/3堆空间，存放生命周期较长的对象。当对象在Survivor区经历多次GC仍然存活（默认15次GC），会晋升到老年代。老年代Eden区满时，会触发垃圾回收（Major GC）进行老年代的内存清理，否则报OOM异常。

堆空间，图片来源网络

方法区是JVM运行时数据区的一部分，方法区的作用：（1）用来存放类的结构信息（类名、访问修饰符、字段、方法、接口等）（2）存放类的静态变量和JIT即时编译后的代码。（3）运行时常量池，存储编译期生成的常量和运行时动态生成的常量。

方法区只是JVM规范中定义的一个概念，用来存放（1）类信息（类名、访问修饰符、字段、方法、接口等）。（2）存放类的静态变量和JIT即时编译后的代码。（3）运行时常量池和类常量池，存储编译期生成的常量和运行时动态生成的常量。

在JDK1.6及之前的版本，字符串常量池存放在方法区中，在JDK1.7版本之后，字符串常量池被移到堆中。

那么方法区和永久代、元空间有什么关系呢？

永久代和元空间是方法区的两种实现，在JDK 1.7及之前的版本，HotSpot JVM实现了方法区，将其放在了永久代中，永久代大小固定，容易导致OutOfMemoryError: PermGen space。在JDK1.8及之后的版本，HotSpot JVM引入了元空间来替代永久代，元空间使用本地内存（而非JVM堆内存），提高了可扩展性。

3.从线程执行看JVM内存模型

首先，我们总结上文内容，JVM内存模型可以分为线程私有区和线程共享区两部分，如下图所示。

堆空间，图片来源网络

以下面的多线程程序为例，我们可以总结JVM内存模型是如何工作的。

  • 虚拟机栈是线程私有的，存储方法调用时的栈帧，线程每调用一个方法，就在栈中创建一个新的栈帧。比如程序中的main方法、MyObject类的构造方法、modifyValue方法等都对应着各自的栈帧，每个栈帧都有它自己的局部变量表和操作数栈。例如当thread1执行MyObject obj1 = new MyObject(localVar1);时，JVM为thread1创建一个新的栈帧。栈帧的局部变量表会包含：

    • localVar1（值为10）
    • obj1（指向MyObject对象的引用）

    此时，MyObject对象会在堆上分配内存，并且obj1变量存储的是指向这个对象的引用。

  • 这段程序没有调用任何本地方法，所以也就没有显示地使用本地方法栈。

  • 程序计数器也是线程私有的，在thread1和thread2的执行过程中，程序计数器会随每个线程的字节码指令的执行而变化。每当线程从栈中获取方法时，程序计数器的值指向当前执行的方法的位置。

  • 堆用来存储动态分配的对象，当thread1和thread2分别创建MyObject实例时，这些对象会存储在堆内存中。

  • 方法区主要存储类的结构信息、静态变量、常量池等。程序中，JvmMemoryModelExample和MyObject这两个类的结构信息、静态变量（如staticVar）都存储在方法区（或元空间）中。

我们一定要注意在这个程序中staticVar和``value`变量的区别，前者是静态变量，与类相关联，而不是与某个具体的对象实例相关，所以保存在负责存储类信息的方法区中。而后者是对象的成员变量，与对象实例相关，所以保存在堆中。

public class JvmMemoryModelExample {
    
    private static int staticVar = 0; // 静态变量存储在方法区
    
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            // 创建线程1，执行一些局部变量和堆内存操作
            int localVar1 = 10;  // 局部变量存储在栈中
            MyObject obj1 = new MyObject(localVar1); // 对象存储在堆中
            obj1.modifyValue();
            System.out.println("Thread1: " + obj1.getValue());
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            // 创建线程2，执行类似的操作
            int localVar2 = 20;
            MyObject obj2 = new MyObject(localVar2);
            obj2.modifyValue();
            System.out.println("Thread2: " + obj2.getValue());
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

class MyObject {
    private int value; // 对象的成员变量存储在堆中

    public MyObject(int value) {
        this.value = value;
    }

    public void modifyValue() {
        this.value += 5;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }
}

JVM的内存模型是Java开发者必须掌握的基础知识，尤其在面试中经常被问到。理解虚拟机栈、本地方法栈、方法区、程序计数器，以及堆的分代回收机制，不仅有助于优化Java应用的性能，也能在面试中脱颖而出。

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