深入点理解JVM-JVM内存模型

们知道，计算机CPU和内存的交互是最频繁的，内存是我们的高速缓存区，用户磁盘和CPU的交互，而CPU运转速度越来越快，磁盘远远跟不上CPU的读写速度，才设计了内存，用户缓冲用户IO等待导致CPU的等待成本，但是随着CPU的发展，内存的读写速度也远远跟不上CPU的读写速度，因此，为了解决这一纠纷，CPU厂商在每颗CPU上加入了高速缓存，用来缓解这种症状，因此，现在CPU同内存交互就变成了下面的样子。

同样，根据摩尔定律，我们知道单核

CPU的主频不可能无限制的增长，要想很多的提升新能，需要多个处理器协同工作， Intel总裁的贝瑞特单膝下跪事件标志着多核时代的到来。

 基于高速缓存的存储交互很好的解决了处理器与内存之间的矛盾，也引入了新的问题：缓存一致性问题。在多处理器系统中，每个处理器有自己的高速缓存，而他们又共享同一块内存（下文成主存，

main memory 主要内存），当多个处理器运算都涉及到同一块内存区域的时候，就有可能发生缓存不一致的现象。为了解决这一问题，需要各个处理器运行时都遵循一些协议，在运行时需要将这些协议保证数据的一致性。这类协议包括MSI、MESI、MOSI、Synapse、Firely、DragonProtocol等。如下图所示

Java虚拟机内存模型中定义的访问操作与物理计算机处理的基本一致！

Java

中通过多线程机制使得多个任务同时执行处理，所有的线程共享JVM内存区域main memory，而每个线程又单独的有自己的工作内存，当线程与内存区域进行交互时，数据从主存拷贝到工作内存，进而交由线程处理（操作码+操作数）。更多信息我们会在后面的《深入JVM—JVM类执行机制中详细解说》。

在之前，我们也已经提到，JVM的逻辑内存模型如下：

我们现在来逐个的看下每个到底是做什么的！

1、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看

做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，

各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），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（对于多核处理器来说是一个内核）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，各条线程之间的计数器互不影响，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Natvie 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任何OutOfMemoryError 情况的区域。

2、Java 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：每个方法被执

行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame ①）用于存储局部变量表、操作栈、动态

链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在

虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

经常有人把Java 内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗

糙，Java 内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序

员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”在后

面会专门讲述，而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变

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，根据不同的虚拟

机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或

者其他与此对象相关的位置）和returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。

其中64 位长度的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），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError 异常。

3、本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其

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

是为虚拟机使用到的Native 方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语

言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至

有的虚拟机（譬如Sun HotSpot 虚拟机）直接就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。

4、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①，但是随着JIT 编译器

的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换②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，幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。如果从内存回收的角度看，由于现在

收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java 堆中还可以细分为：新生代和老年代；

再细致一点的有Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等。如果从内存分配

的角度看，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。在本章中，我们仅仅针对内存区域的作用进行讨论，Java 堆中的上述各个区域的

分配和回收等细节将会是下一章的主题。

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，也可以是可扩展的，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。

4、方法区

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。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 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区

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。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9 等）来说是不存在永久