原创

JVM基础(2)——JVM内存模型

一、简介

JVM会加载类到内存中,所以 JVM 中必然会有一块内存区域来存放我们写的那些类。Java中有类对象、普通对象、本地变量、方法信息等等各种对象信息,所以JVM会对内存区域进行划分:

JDK1.8及以后,上图中的方法区变成了Metaspace——元数据区。

我们本章的目的,就是介绍JVM中各块内存区域的功能,其中都是存放的哪些java对象信息。

二、方法区

方法区只存在于JDK1.8以前的版本,主要是存储从”.class“文件里加载进来的类,包括类的名称方法信息字段信息静态变量常量以及编译器编译后的代码等。从JDK1.8开始,这块区域的名字改成了元数据区(Metaspace),元数据区直接使用本地内存。

默认情况下,元数据区会根据使用情况动态调整,避免了在JDK1.8以前由于加载类过多从而出现 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。但也不能无限扩展,因此可以使用 -XX:MaxMetaspaceSize来控制最大内存。

以上一章的示例来看,Kafka.class和ReplicaManager.class加载到JVM后,会放到方法区中:

public class Kafka {
    public static void main(String[] args) {
        ReplicaManager manager = new ReplicaManager();
    }
}

方法区/元数据区是所有线程共享的:

三、程序计数器

程序计数器,用来记录当前线程正在执行的字节码指令。我们还是继续以上一章的代码作为示例来讲解:

public class Kafka {
    public static void main(String[] args) {
        ReplicaManager manager = new ReplicaManager();
        manager.loadReplicaFromDisk();
    }
}

首先,上面这段.java源程序会被编译成.class文件,.class中存放的是JVM可以读懂的字节码,比如下面这样

public java.lang.String getName();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
        stack=1, locals=1, args_size=1
            0: aload_0
            1: get_field    #2
            4: areturn

当JVM加载类信息到内存之后,实际就会使用自己的字节码执行引擎,去执行这些字节码指令,如下图:

程序计数器的作用就在这里,它会记录当前执行的字节码指令的位置,如下图:

程序计数器是线程私有的,也就是说每个线程都有个自己的程序计数器,记录当前线程执行到了哪一条字节码指令:

四、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈,其实是一种表示Java方法执行的数据结构。每个方法被执行的时候,都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表操作栈动作链接方法出口等信息。每个方法从被调用到执行完成的过程,其实就是一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

下面的这段程序,肯定有一个main线程来执行main()方法里面的代码,方法内部我们通常会定义一些局部变量,比如manager,JVM中必须有一块区域来保存方法中的这些数据,这个就是Java虚拟机栈,Java虚拟机栈是线程私有的。

public class Kafka {
    public static void main(String[] args) {
        ReplicaManager manager = new ReplicaManager();
        manager.loadReplicaFromDisk();
    }
}
public class ReplicaManager {
    public static void loadReplicaFromDisk() {
        Boolean hashFinishedLoad = false;
    }
}

比如main线程执行了main()方法,那么就会创建一个栈帧(里面存放manager局部变量),并将其压入main线程自己的Java虚拟机栈中,如下图:

然后main线程继续执行loadReplicaFromDisk方法,遇到方法内部的hashFinishedLoad局部变量,就会再创建一个栈帧,压入自己的虚拟机栈中:

上述就是JVM中的”Java虚拟机栈“这个组件的作用:调用任何方法时,为方法创建栈帧然后入栈,栈帧里存放了这个方法对应的局部变量之类的数据(也包括方法执行的其它相关信息),方法执行完毕后就出栈。

五、Java堆内存

Java堆内存,这是JVM内存区域中最重要的一块区域,存放着各种Java对象,是线程共享区域。

下面代码中,new ReplicaManager()创建了一个对象实例,这个对象实例的相关信息就存放在Java堆内存中:

public class Kafka {
    public static void main(String[] args) {
        ReplicaManager manager = new ReplicaManager();
        manager.loadReplicaFromDisk();
    }
}

main线程在执行main()方法时,会为其创建一个栈帧并入栈,栈帧中的局部变量manager存放着ReplicaManager对象实例在Java堆内存中的地址:

六、本地方法栈

本地方法栈,其作用和Java虚拟机栈类似,区别在于本地方法栈是为虚拟机所使用到的Native方法服务,而Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务。本地方法栈也是线程私有的。

JDK中的很多底层API,比如IO、NIO、网络等,如果大家去看它的源码,会发现很多地方是调用的native修饰的方法,比如下面这样:

public native int hashCode();

在调用native方法时,也会有线程对应的栈来保存native方法底层用到的局部变量表之类的信息,这就是本地方法栈的作用。

七、总结

本章,我们通过代码的执行流程讲解了JVM的内存模型,读者需要重点关注方法区、程序计数器、Java虚拟机栈、Java堆内存与程序执行逻辑的关系,其中Java堆内存是我们后面章节要关注的重点区域。

正文到此结束
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