JAVA进阶篇内存模型

引入

　　什么时候我们会谈到java内存结构，有几个情况

　　　　1、当程序运行出现堆溢出或者栈溢出的时候，程序炸了，需要通过了解内存结构知道怎么调整内存参数

　　　　2、性能调优，如果程序出现性能不稳定或者意外的内存消耗，这时候可能需要检查垃圾回收或变量存储相关

　　　　3、面试的时候

正文

　　JVM是JAVA程序的容器，JVM提供一个规范和API使得JAVA程序可以运行。JVM的构建依赖于《Java虚拟机规范》，以后再看吧，实话说，有点难。

　　　　第1章从宏观的角度介绍了Java虚拟机与Java的关系与发展历程。

　　　　第2章概览了Java虚拟机整体架构，包括class文件格式、数据类型、原始类型、引用类型、运行时数据区、栈帧、浮点算法、异常等，这对理解本书后面的内容有重要帮助。

　　　　第3章详述如何将Java语言编写的程序转换为Java虚拟机指令集，涉及常量、局部变量、控制结构、算术运算、参数接收、方法调用、数组、操作数栈异常处理、同步与注解等。

　　　　第4章深入分析了用来表示编译后的类和接口的class文件格式，主要包括ClassFile结构、描述符与签名、常量池、字段、方法、属性、代码约束与class文件校验等。

　　　　第5章定义了Java虚拟机启动以及类和接口的加载、链接和初始化过程。

　　　　第6章阐释并列举了Java虚拟机指令集。

　　　　第7章提供了一张以操作码值为索引的Java虚拟机操作码助记符表。

　　虚拟机其实也是一种软件架构风格，他的定义是这样的：一个解释器通常包括完成解释工作的解释引擎，一个包含将被解释的代码的存储区，一个记录解释引擎当前工作状态的数据结构，以及一个记录源代码被解释执行的进度的数据结构。具有解释器风格的软件中含有一个虚拟机，可以仿真硬件的执行过程和一些关键应用。很形象吧。作为开发使用者，在开始的时候不必关注虚拟机规则细节，只需要关心虚拟机提供出来的接口即可。

内存区域划分

　　上图表示的是hotspot java虚拟机的内存区域管理，画得很精细，需要先认真看看。因为区域的作用不同，每块区域的生命周期也会不同。

程序计数器

　　CPU运行时也存在一个程序计数器区域，该区域与这里的程序计数器功能一致，记录程序的下一个步骤指令。

　　程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的Java字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器（每个线程中都需要有个程序计数器记录需要进行的指令），各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定OutOfMemoryError情况的区域。

　　该区域没有提供调整的接口，由JVM自定义。

虚拟机栈

　　与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一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。

　　经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），其中所指的“堆”就是Java堆，而所指的“栈”就是现在所讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

　　局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

　　其中64为长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1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。

　　在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

　　每一个线程都有独立的栈空间。如果想尽量多跑一些线程的话，就尽量将栈内存缩小，而不是增大。

本地方法栈

　　本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定。HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

　　参数设置：

-Xss 设置每个线程的栈大小。JDK1.5+ 每个线程栈大小为1M，一般来说如果栈不是很深的话，1M是绝对够用的啦。

　　参数含义解析：

以-X开头的参数是和实现有关的，第一个s表示stack，第二个s表示size；

　　注意：

　　　　在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。

JAVA堆

　　对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展以及逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

　　Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的，新生代可以有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

　　在gc管理中，将虚拟机堆分为永久代、老年代、新生代。通过名字我们可以知道一个对象新建一般在新生代。经过几轮的gc。还存活的对象会被移到老年代。永久代用来保存类信息、代码段等几乎不会变的数据。堆中的所有数据是线程共享的。

新生代：应为gc具体实现的优化的原因。hotspot又将新生代划分为一个eden区和两个survivor区。每一次新生代gc时候。只用到一个eden区，一个survivor区。新生代一般的gc策略为mark-copy。
老年代：当新生代中的对象经过若干轮gc后还存活/或survisor在gc内存不够的时候。会把当前对象移动到老年代。老年代一般gc策略为mark-compact。
永久代：永久代一般可以不参与gc。应为其中保存的是一些代码/常量数据/类信息。JDK 1.8 中已经不存在永久代（下方介绍）。

　　JVM内存模型中分两大块，一块是 NEW Generation, 另一块是Old Generation. 在New Generation中，有一个叫Eden的空间，主要是用来存放新生的对象，还有两个Survivor Spaces（from,to）, 它们用来存放每次垃圾回收后存活下来的对象。在Old Generation中，主要存放应用程序中生命周期长的内存对象，还有个Permanent Generation，主要用来放JVM自己的反射对象，比如类对象和方法对象等。

　　根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

　　参数设置：

-Xms 设置堆的最小空间大小；通常为操作系统可用内存的1/64大小即可。
-Xmx 设置堆的最大空间大小；通常为操作系统可用内存的1/4大小。
-Xmn 设置新生代大小，是对-XX：newSize、-XX：MaxnewSize两个参数的同时配置，这个参数是在JDK1.4版本以后出现的；通常为Xmx的1/3或1/4。新生代 = Eden + 2个Survivor空间。实际可用空间 = Eden + 1个Survivor，即90%。
-XX：NewSize 设置新生代最小空间大小；
-XX：MaxNewSize 设置新生代最大空间大小；
-XX：NewRatio 新生代与老年代的比例，如-XX：NewRatio=2，则新生代占整个堆空间的1/3，老年代占2/3。
-XX：SurvivorRatio 新生代中 Eden 与 Survivor的比值。默认值为 8 。即Eden占新生代空间的8/10，另外两个Survivor各占1/10。

　　参数含义解析：

以-X开头的参数是和实现有关的，并不是适用于所有的参数；
最开始只有 -Xms的参数，表示‘初始’ memory size，m表示memory，s表示size；
紧接是参数 -Xmx，为了对齐三字符，压缩了其表示形式，采用计算机中约定表示方式：用 x 表示“”大“ （可以联想到衣服的号码大小，S、M、L、XL、XXL），因此 -Xmx中的m应当还是memory。既然有了最大内存的概念，那么一开始的 -Xms所表示的”初始“内存也就有了一个”最小“内存的概念（其实常用的做法中初始内存采用的也就是最小内存）。如果不对齐参数长度的话，其表示应当是-Xmsx。

　　注意：

　　　　开发过程中，通常会将-Xms与-Xmx两个参数的配置相同的值，其目的是为了能够在Java垃圾回收机制清理完堆区后不需要重新分隔计算堆区的大小而浪费资源。

方法区（永久代）

　　方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已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数据，即存放静态文件，如Java类、方法等。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

　　对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人都更愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存、能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。

　　根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

　　方法区在不同虚拟机中有不同的实现，HotSpot在1.7版本以前和1.7版本，1.7版本后都有变化。

　　① jdk7版本以前的实现如下图所示：

　　② 在目前已经发布的JDK1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移到了Java堆中。

　　③ jdk8版本中则把永久代给完全删除了，取而代之的是MetaSpace，如图：

　　　运行时常量池和静态变量都存储到了堆中，MetaSpace存储类的元数据，MetaSpace直接在本地内存中（Native memory），这样类的元数据分配只受本地内存大小的限制，OOM问题就不存在了。

　　参数设置：

-XX：PermSize设置永久代最小空间大小；
-XX：MaxPermSize设置永久代最大空间大小；

　　参数含义解析：

PermSize，表示永久代初始设置大小，这里初始大小表示最小大小，Perm是permanent永久的意思；

　　注意：

JDK8没有这个参数设置。
非堆内存不会被Java垃圾回收机制进行处理，在配置之前一定要慎重考虑下自身软件所需要的非堆区内存大小。

运行时常量池

　　运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

　　Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求。不过，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

　　运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

　　既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

并发内存模型

　　java试图定义一个Java内存模型(Java memory model jmm)来屏蔽掉各种硬件/操作系统的内存访问差异，以实现让java程序在各个平台下都能达到一致的内存访问效果。java内存模型主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。模型图如下：

java并发内存模型以及内存操作规则

　　java内存模型中规定了所有变量都存贮到主内存（如虚拟机物理内存中的一部分）中。每一个线程都有一个自己的工作内存(如cpu中的高速缓存)。线程中的工作内存保存了该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝。线程对变量的所有操作（读取、赋值等）必须在该线程的工作内存中进行。不同线程之间无法直接访问对方工作内存中变量。线程间变量的值传递均需要通过主内存来完成。

　　关于主内存与工作内存之间的交互协议，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中的实现细节。java内存模型定义了8种操作来完成。这8种操作每一种都是原子操作。8种操作如下：

lock(锁定)：作用于主内存，它把一个变量标记为一条线程独占状态；
unlock(解锁)：作用于主内存，它将一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其他线程锁定；
read(读取)：作用于主内存，它把变量值从主内存传送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，它把read操作的值放入工作内存中的变量副本中；
use(使用)：作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时候，将会执行这个动作；
assign(赋值)：作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时候，执行该操作；
store(存储)：作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的write操作使用；
write(写入)：作用于主内存，它把store传送值放到主内存中的变量中。

　　Java内存模型还规定了执行上述8种基本操作时必须满足如下规则:

不允许read和load、store和write操作之一单独出现，以上两个操作必须按顺序执行，但没有保证必须连续执行，也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的。
不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
一个新的变量只能从主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行lock操作，但lock操作可以被同一个条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
如果一个变量实现没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存（执行store和write操作）。

volatile型变量的特殊规则

　　关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它并不容易完全被正确、完整的理解，以至于许多程序员都不习惯去使用它，遇到需要处理多线程的问题的时候一律使用synchronized来进行同步。了解volatile变量的语义对后面了解多线程操作的其他特性很有意义。Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则，当一个变量被定义成volatile之后，他将具备两种特性：

保证此变量对所有线程的可见性。第一保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量是做不到这点，普通变量的值在线程在线程间传递均需要通过住内存来完成，例如，线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行会写，另外一个线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。另外，java里面的运算并非原子操作，会导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。
禁止指令重排序优化。普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获得正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序中的执行顺序一致，在单线程中，我们是无法感知这一点的。

　　由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁来保证原子性。

1.运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
2.变量不需要与其他的状态比阿尼浪共同参与不变约束。

原子性、可见性与有序性

　　Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，我们逐个看下哪些操作实现了这三个特性。

原子性（Atomicity）：由Java内存模型来直接保证的原子性变量包括read、load、assign、use、store和write，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。如果应用场景需要一个更大方位的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式的使用这两个操作，这两个字节码指令反应到Java代码中就是同步块--synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。
可见性（Visibility）：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。上文在讲解volatile变量的时候我们已详细讨论过这一点。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此，可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，即synchronized和final.同步快的可见性是由“对一个变量执行unlock操作前，必须先把此变量同步回主内存”这条规则获得的，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把"this"的引用传递出去，那么在其他线程中就能看见final字段的值。
有序性（Ordering）：Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也详细的讨论过了，Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的：如果在一个线程中观察另外一个线程，所有的线程操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行的进入。

直接内存（堆外内存）

　　直接内存（Direct Memory），也叫堆外内存，它并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，而是Java虚拟机的堆以外的内存，直接受操作系统管理。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。使用堆外内存有两个优势，一是减少了垃圾回收，二是提升复制速度，如NIO就是采用堆外内存。可以使用未公开的Unsafe和NIO包下ByteBuffer来创建堆外内存。

　　在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

　　显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

　　参数设置：可以通过 -XX：MaxDirectMemorySize参数来设置最大可用直接内存，如果Java虚拟机启动时未设置则默认为最大堆内存大小，即与 -Xmx相同。即假如最大堆内存为1G，则默认直接内存也为1G，那么JVM最大需要的内存大小为2G多一些。当直接内存达到最大限制时就会触发GC，如果回收失败则会引起OutOfMemoryError。

参考资料：

　　https://www.cnblogs.com/_popc/p/6096517.html

　　https://www.cnblogs.com/swordfall/p/10723938.html