前言

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對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，如果不了解Java的JVM，那真的是很難寫(xiě)得一手好代碼，很難查得一手好bug。同時(shí)，JVM也是面試環(huán)節(jié)的中重災(zāi)區(qū)。我們不能為了面試而面試，但是學(xué)習(xí)會(huì)這些核心知識(shí)你必定會(huì)成為面試與工作中“最亮的一顆星”。

思考一下

學(xué)習(xí)一項(xiàng)知識(shí)總該知道為什么學(xué)習(xí)吧。有人會(huì)說(shuō)，這些寫(xiě)代碼好像又用不上，貌似所有的事情JVM都替我們做好了。那就，思考一下為什么要學(xué)習(xí)JVM虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)。

那你是否遇到這樣的困惑：堆內(nèi)存該設(shè)置多大？OutOfMemoryError異常到底是怎么引起的？如何進(jìn)行JVM調(diào)優(yōu)？JVM的垃圾回收是如何？甚至創(chuàng)建一個(gè)String對(duì)象，JVM都做了些什么？

這些疑問(wèn)隨著學(xué)習(xí)的深入都會(huì)慢慢得到解答，而要解決這些問(wèn)題的第一步，就是先了解JVM的構(gòu)成。

JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)

java虛擬機(jī)在執(zhí)行程序的過(guò)程中會(huì)將內(nèi)存劃分為不同的數(shù)據(jù)區(qū)域，看一下下圖。

如果理解了上圖，JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)基本上掌握了一半。通過(guò)上圖我們可以看到什么？外行看熱鬧，內(nèi)行看門(mén)道。從圖中可以得到如下信息。

第一，JVM分為五個(gè)區(qū)域：虛擬機(jī)棧、本地方法棧、方法區(qū)、堆、程序計(jì)數(shù)器。PS：大家不要排斥英語(yǔ)，此處用英文記憶反而更容易理解。

第二，JVM五個(gè)區(qū)中虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器為線程私有，方法區(qū)和堆為線程共享區(qū)。圖中已經(jīng)用顏色區(qū)分，綠色表示“通行”，橘色表示停一停（需等待）。

第三，JVM不同區(qū)域的占用內(nèi)存大小不同，一般情況下堆最大，程序計(jì)數(shù)器較小。那么最大的區(qū)域會(huì)放什么？當(dāng)然就是Java中最多的“對(duì)象”了。

學(xué)習(xí)延伸：如果你記住了這張圖，是不是就可以說(shuō)出關(guān)于JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)了呢？可以嘗試一下，切記不用死記硬背，發(fā)揮你的想象。

堆（Heap）

上面已經(jīng)得出結(jié)論，堆內(nèi)存最大，堆是被線程共享，堆的目的就是存放對(duì)象。幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在此分配。當(dāng)然，隨著優(yōu)化技術(shù)的更新，某些數(shù)據(jù)也會(huì)被放在棧上等。

槍打出頭鳥(niǎo)，樹(shù)大招風(fēng)。因?yàn)槎颜加脙?nèi)存空間最大，堆也是Java垃圾回收的主要區(qū)域（重點(diǎn)對(duì)象），因此也稱(chēng)作“GC堆”（Garbage Collected Heap）。

關(guān)于GC的操作，我們后面章節(jié)會(huì)詳細(xì)講，但正因?yàn)镚C的存在，而現(xiàn)代收集器基本都采用分代收集算法，堆又被細(xì)化了。

同樣，對(duì)上圖呈現(xiàn)內(nèi)容匯總分析。

第一，堆的GC操作采用分代收集算法。

第二，堆區(qū)分了新生代和老年代；

第三，新生代又分為：Eden空間、From Survivor（S0）空間、To Survivor（S1）空間。

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Java虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可。也就是說(shuō)堆的內(nèi)存是一塊塊拼湊起來(lái)的。要增加堆空間時(shí)，往上“拼湊”（可擴(kuò)展性）即可，但當(dāng)堆中沒(méi)有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)（Method Area）

方法區(qū)與堆有很多共性：線程共享、內(nèi)存不連續(xù)、可擴(kuò)展、可垃圾回收，同樣當(dāng)無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

正因?yàn)槿绱讼嘞?，Java虛擬機(jī)規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯部分，但目前實(shí)際上是與Java堆分開(kāi)的（Non-Heap）。

方法區(qū)個(gè)性化的是，它存儲(chǔ)的是已被虛擬機(jī)加載的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

方法區(qū)的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類(lèi)型的卸載，一般來(lái)說(shuō)這個(gè)區(qū)域的回收“成績(jī)”比較難以令人滿意，尤其是類(lèi)型的卸載，條件相當(dāng)苛刻，但是回收確實(shí)是有必要的。

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）

關(guān)于程序計(jì)數(shù)器我們已經(jīng)得知：占用內(nèi)存較小，現(xiàn)成私有。它是唯一沒(méi)有OutOfMemoryError異常的區(qū)域。

程序計(jì)數(shù)器的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條字節(jié)碼指令。其中，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴(lài)計(jì)數(shù)器來(lái)完成。

Java虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器（對(duì)于多核處理器來(lái)說(shuō)是一個(gè)內(nèi)核）只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。

因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間的計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱(chēng)這類(lèi)內(nèi)存區(qū)域?yàn)椤熬€程私有”的內(nèi)存。

如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Natvie方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空（Undefined）。

虛擬機(jī)棧（JVM Stacks）

虛擬機(jī)棧線程私有，生命周期與線程相同。

棧幀(Stack Frame)是用于支持虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。棧幀存儲(chǔ)了方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)連接和方法返回地址等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用至執(zhí)行完成的過(guò)程，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧里從入棧到出棧的過(guò)程。

局部變量表(Local Variable Table)是一組變量值存儲(chǔ)空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)定義的局部變量。包括8種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型、對(duì)象引用（reference類(lèi)型）和returnAddress類(lèi)型（指向一條字節(jié)碼指令的地址）。

其中64位長(zhǎng)度的long和double類(lèi)型的數(shù)據(jù)會(huì)占用2個(gè)局部變量空間（Slot），其余的數(shù)據(jù)類(lèi)型只占用1個(gè)。

如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機(jī)棧動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

操作數(shù)棧(Operand Stack)也稱(chēng)作操作棧，是一個(gè)后入先出棧(LIFO)。隨著方法執(zhí)行和字節(jié)碼指令的執(zhí)行，會(huì)從局部變量表或?qū)ο髮?shí)例的字段中復(fù)制常量或變量寫(xiě)入到操作數(shù)棧，再隨著計(jì)算的進(jìn)行將棧中元素出棧到局部變量表或者返回給方法調(diào)用者，也就是出棧/入棧操作。

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動(dòng)態(tài)鏈接：Java虛擬機(jī)棧中，每個(gè)棧幀都包含一個(gè)指向運(yùn)行時(shí)常量池中該棧所屬方法的符號(hào)引用，持有這個(gè)引用的目的是為了支持方法調(diào)用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)鏈接(Dynamic Linking)。

方法返回：無(wú)論方法是否正常完成，都需要返回到方法被調(diào)用的位置，程序才能繼續(xù)進(jìn)行。

本地方法棧（Native Method Stacks）

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機(jī)棧作用相似，也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

區(qū)別在于虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法（字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧是為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。

總結(jié)

經(jīng)過(guò)上面的講解，想必大家已經(jīng)了解到JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)的基本情況。下面對(duì)照腦圖，歸納總結(jié)一下，看你能說(shuō)出來(lái)多少。

最后

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