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你真的了解JVM?JVM中有哪些内存区域,都有哪些作用?

什么是JVM内存区域划分?其实这个问题非常简单,JVM在运行我们写好的代码时,他是必须使用多块内存空间的,不同的内存空间用来放不同的数据,然后配合我们写的代码流程,才能让我们的系统运行起来。

作者:正号先生来源:博客园|2019-07-16 14:59

1.0 前言

之前我们探讨过一个.class文件是如何被加载到jvm中的。但是jvm内又是如何划分内存的呢?这个内被加载到了那一块内存中?jvm内存划分也是面试当中必被问到的一个面试题。

1.1 什么是JVM内存区域划分?

其实这个问题非常简单,JVM在运行我们写好的代码时,他是必须使用多块内存空间的,不同的内存空间用来放不同的数据,然后配合我们写的代码流程,才能让我们的系统运行起来。

举个最简单的例子,比如咱们现在知道了JVM会加载类到内存里来供后续运行,那么我问问大家,这些类加载到内存以后,放到哪儿去了呢?想过这个问题吗?

所以JVM里就必须有一块内存区域,用来存放我们写的那些类。

包括我们定义的成员变量,类变量,方法,局部变量等等,都在jvm内存中对应着一块内存来记录存储。

2.0 存放类的方法区

在JDK1.8之前的版本里,代表JVM的一块区域。在1.8版本以后,这块区域的名字改了,叫做“Matespace”,可以认为是“元数据空间”这样的意思,当然这里主要存放的还是我们自己写的各种类的相关信息。

举个栗子。有如下两个类,People类没有成员变量,而Student类有一个name的类变量。

  1. public class Student{ 
  2.  private static String name = "lisi"
  3. public class People{ 
  4.  public static void main(){ 
  5.  Student student = new Student(); 
  6.  } 

这两个类被加载到JVM,就会存放在这个方法区里面(注意:如果读过我之前的章节,就会明白这里的加载代表的是:加载->验证->准备->解析->初始化,类的所有类变量都会被赋值)。如下图

你真的了解JVM?JVM中有哪些内存区域,都有哪些作用?

3.0 执行程序代码指令的计数器

我们知道,被加载到jvm的类对象是我们写的.java文件被编译之后的.class文件。

在编译过后会将我们的代码编译成计算机能读懂的字节码。而这个.calss文件就是,就是我们代码编译好的字节码了。

加载到内存以后,字节码执行引擎就开始工作了。去执行我们编译出来的代码指令,如下图

你真的了解JVM?JVM中有哪些内存区域,都有哪些作用?

此时问题来了,我们是不是需要一块内存空间来记录我们字节码执行引擎目前执行到了哪行代码?这一块特殊的内存区域就是“程序计数器”

这个程序计数器就是用来记录当前执行的字节码指令的位置。

如下图:

你真的了解JVM?JVM中有哪些内存区域,都有哪些作用?

到这里我相信会有人产生疑惑,就按照当前的代码顺序执行就行了,为什么要记录执行到哪里了?

因为我们写好的代码可能会开启多个线程并发的执行不同的代码。可能当前线程这段代码还没有执行完毕,就上下文切换到另一段代码中。

当线程再次上下文切换到之前的代码时,就需要一个专门记录当前线程执行到了哪一条字节码。所以,每一个线程都有这自己的程序计数器。

如下图:

你真的了解JVM?JVM中有哪些内存区域,都有哪些作用?

4.0 Java虚拟机栈

java代码在执行的时候,一定是某个线程来执行某个方法中的代码。

当线程执行到某个方法的时候,如果这个方法有局部变量,那么就需要一块区域来存放局部变量的数据信息。这个区域就叫做java虚拟机栈。

每一个线程都有一个自己的java虚拟机栈,比如说当执行main方法的时候就会有一个main线程,用来存放main方法中定义的局部变量

  1. public static void main(){ 
  2.  People people = new People(); 
  3.  int i = 9; 

比如上面的main()方法中,其实就有一个"people"的局部变量,他是引用一个People的实例对象的,这个对象我们先不管他。然后有一个"i"的局部变量。

如下图:

你真的了解JVM?JVM中有哪些内存区域,都有哪些作用?

我想大家应该都知道栈的数据结构,后进先出。当方法执行完毕以后,这个栈桢就会出栈,里面的局部变量信息就会从内存删除。所以局部变量是线程安全的。因为只有当前线程能获取到这个值。

为什么要用后进先出的数据结构?

假设a方法当中同步调用b方法,此时a方法的栈桢先入栈,然后再是b方法的栈桢入栈。b方法执行完毕后,b方法的栈桢出栈,继续执行a方法。所以使用一个后进先出的栈结构是非常***的。

此时jvm的内存模型图如下:

你真的了解JVM?JVM中有哪些内存区域,都有哪些作用?

5.0 Java虚拟机堆内存

这一块内存是非常非常重要的。

我们实例化的所有对象都是存放在这个内存中。这个实例化的对象里面会包含一些数据,我们用上面的代码来做栗子。

  1. public class Student{ 
  2.  private String name = "lisi"
  3.  public String getNmae(){ 
  4.  return name
  5.  } 
  6. public class People{ 
  7.  public static void main(){ 
  8.  Student student = new Student(); 
  9.  student.getName(); 
  10.  } 

还是这个代码,当main线程执行main()方法的时候,首先在堆内存中实例化Student对象,然后在局部变量中创建student,student存的是实例化Student对象的内存地址。然后执行Student对象的getName()方法。

如下图:

由上图可以看出来,栈空间是封闭的,是线程安全的,而堆内存中是我们主要发生线程不安全的地方,因为堆内存的空间所有的线程其实都是能共享的。

此时jvm的内存划分的最终模型为:

你真的了解JVM?JVM中有哪些内存区域,都有哪些作用?

6.0 其他区域内存

很多java程序猿对这一块区域的接触是非常少的。

其实在JDK的很多底层代码API中,比如NIO。

如果你去看源码会发现很多地方的代码不是java写的,而是走的native方法去调用本地操作系统里面的一些方法,可能调用的都是c语言写的方法。

比如说:public native int hashCode();

在调用这种native方法的时候,就会有线程对应的本地方法栈,这个其实类似于java虚拟机栈。也是存放各种native方法的局部变量表之类的信息。

还有一块区域,是不是jvm的,通过NIO中的allocateDirect这种API,可以在jva堆外分配内存空间,然后通过java虚拟机栈里的DirectByteBuffer来引用和操作堆外内存空间。

7.0 总结

基本上jvm的核心内存区域的功能都解释清楚了,面试能回答到这一个地步应该也能顺利通过了。

我们需要重点关注的是方法区,程序计数器,java虚拟机栈和java堆内存这些内存区域的作用。

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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