Java虚拟机的内存模型

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概述

为了Java程序能更好的管理内存，Java将运行时数据区分为程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、方法区和堆区五个空间。

程序计数器（线程私有）

很小的内存空间，高速，在处理器内部，用于存储字节码指令的地址，该地址是程序将要执行的下一条指令地址，指示程序的完成。通过字节码解释器改变计数器的值选择下一条执行的指令。若执行的是本地方法计数器值则为空。

虚拟机栈（线程私有）
虚拟机栈的概述和异常

可以快速访问的内存空间，位于RAM，由多个栈帧形成虚拟机栈，栈帧中存储局部变量表、操作数栈、部分结果和返回地址等。每一次随着方法的调用入栈随着方法的返回出栈。每一个虚拟机栈都有一个栈指针，通过他的上下移动进行分配和回收内存。

分配栈时就会知道栈的大小，因此在不断栈帧入栈时就可能会发生栈溢出StackOverflowError，又当申请的栈大小超出一定内存大小时就会发生内存泄露OutOfMemoryError。

栈帧

局部变量表

局部变量表存储有基本类型或引用类型变量的地址。局部变量表被当做一个从0开始的数组，0是false，若是非int基本类型存储前则转化成int类型，而long和double占据了两个字长，局部变量则是通过数组下标访问。

操作数栈

操作数栈也是一个数字数组，但与局部变量表不同的是，它是根据push和pop进行入栈和出栈，而非通过下标访问。

帧数据区

主要作用：1、解析方法中的常量池 2、处理方会返回，恢复现场 3、处理调用过程中可能出现的异常，存在一个异常表，若有catch将异常处理，否则中断方法调用。

本地方法栈（线程私有）

与虚拟机栈类似，用于管理本地方法调用，但它拥有和虚拟机一样的权限，能访问虚拟机也能在本地堆区分配对象。可以看做是虚拟机栈的动态扩展。在Hotspot虚拟机中，是不区分虚拟机栈和本地方法栈的，因此也会抛出StackOverflow和OutOfMemory错误。

方法区（线程共享）

方法区也一块独立的内存空间，保存的主要是类的元信息。这些信息主要来源于class文件。在Hotspot中，也被叫做永久区。主要包含：

类型信息：类的完整名称、父类的完成名称、类的修饰符、类的直接接口类表

常量池：包含类方法域信息等所引用的常量

域信息：域名称、域类型、域修饰符

方法信息：方法名，修饰符，返回类型、方法参数、操作数栈及 方法栈局部变量区的大小和异常表

同时，方法区也会被gc回收，主要回收的是常量池和类元数据。对于常量池可能因为常量的不断加入而引发OutOfMemory，所以也需要进行垃圾回收，回收没有被任何地方引用的常量。

堆区（线程共享）
堆的位置与优劣势

堆位于RAM，是一种常用性内存池，存放所有Java对象。堆是在jvm启动时创建。

优势：堆是运行时动态分配内存，同时也不需要知道数据的存活时间。具有很大的灵活性。

劣势：访问速度慢，创建和回收对象都会消耗资源甚大。因此这也是gc回收时决定系统性能的瓶颈。

介绍GCIH：GCIH技术实现了堆外存储，即将大内存的Java对象移到堆外，GC不能直接管理GCIH内的对象，这样降低了GC回收频率和提升了GC回收效率。GCIH是基于OpenJDK深度定制的TaobaoJVM的一种创新。

逃逸分析介绍

逃逸分析定义

计算机软件方面，逃逸分析指的是计算机语言编译器语言优化管理中，分析指针动态范围的方法。通俗点讲，如果一个对象的指针被多个方法或线程引用时，那我们可以称这个指针发生了逃逸 。[1]

常见逃逸分析发生场景

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public class G {
    public static B b;

    public void globalVariablePointerEscape() {
        b = new B();//给全局变量赋值，发生逃逸
    }
    public B methodPointerEscape() {
        return new B();//方法返回值，发生逃逸
    }
    public void instancePassPointerEscape(){
        methodPointerEscape().printClassName(this); //实例引用发生逃逸
    }
}
class B {
    public void printClassName(G g) {
        System.out.println(g.getClass().getName());
    }
}

如何优化逃逸分析

对栈重新分配，分析未逃逸变量，在栈中分配对象，这样就非逃逸对象的调用执行与回收就会随着栈的进行创建于销毁。同时也大大减少了堆中对象分配得负担。提升了Java运行的性能。

逃逸优化：

  • 同步消除。线程同步的代价是相当高的，同步的后果是降低并发性和性能。逃逸分析可以判断出某个对象是否始终只被一个线程访问，如果只被一个线程访问，那么对该对象的同步操作就可以转化成没有同步保护的操作，这样就能大大提高并发性和性能。

  • 矢量替代。逃逸分析方法如果发现对象的内存存储结构不需要连续进行的话，就可以将对象的部分甚至全部都保存在 CPU 寄存器内，这样能大大加快访问速度。

堆的组成

按代分

将堆分为年轻代和年老代，年轻代又分为Eden区、from survivor和to survivor区，对象的出生在Eden区，survivor区是对象至少经过一次年轻代的垃圾回收，当此区对象经过指定年龄还未被回收就会进入年老代。而年老代存储大对象和经过多次垃圾回收的对象。

按区分

G1GC垃圾回收规则，将堆不再按代分，而是将堆分为一个个独立的区间。每一个区间的代不是固定的，根据区间内的对象进行判定区间属于哪个代。

[1]：《深入理解JVM&G1GC》