JAVA内存模型笔记

xiaoxiao2021-02-28  22

栈(stack)、堆(heap)和静态区(static area)

静态区: 保存自动全局变量和 static 变量(包括 static 全局和局部变量)。静态区的内容在总个程序的生命周期内都存在,由编译器在编译的时候分配,(这种分配策略要求程序代码中不允许有可变数据结构(比如可变数组)的存在,也不允许有嵌套或者递归的结构出现,因为它们都会导致编译程序无法计算准确的存储空间需求.)

堆: 堆的优势是可以动态地分配内存大小,生存期也不必事先告诉编译器,因为它是在运行时动态分配内存的,Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。但缺点是,由于要在运行时动态分配内存,存取速度较慢.

栈: Java栈总是与线程关联在一起的,每当创建一个线程,JVM就会为该线程创建对应的Java栈,在这个Java栈中又会包含多个栈帧(Stack Frame),这些栈帧是与每个方法关联起来的,每运行一个方法就创建一个栈帧,每个栈帧会含有一些局部变量、操作栈和方法返回值等信息。栈的优势是,存取速度比堆要快,仅次于寄存器,栈数据可以共享。但缺点是,存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的,缺乏灵活性。栈中主要存放一些基本类型的变量(int, short, long, byte, float, double, boolean, char)和对象句柄。栈分为3个部分:基本类型变量区、执行环境上下文、操作指令区(存放操作指令)。

方法区: 存放装载的类数据信息(meta数据),包括基本信息:每个类的全限定名、每个类的直接超类的全限定名、该类是类还是接口、该类型的访问修饰符、直接超接口的全限定名的有序列表,每个已装载类的详细信息:运行时常量池、字段信息、方法信息、静态变量、到类classloader的引用、到类class的引用。

PC寄存器/程序计数器:严格来说是一个数据结构,用于保存当前正在执行的程序的内存地址,由于Java是支持多线程执行的,所以程序执行的轨迹不可能一直都是线性执行。当有多个线程交叉执行时,被中断的线程的程序当前执行到哪条内存地址必然要保存下来,以便用于被中断的线程恢复执行时再按照被中断时的指令地址继续执行下去。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每个线程都需要有一个独立的程序计数器,各个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,这在某种程度上有点类似于“ThreadLocal”,是线程安全的。常量池Constant Pool:常量池本身是方法区中的一个数据结构。常量池中存储了如字符串、final变量值、类名和方法名常量。常量池在编译期间就被确定,并保存在已编译的.class文件中。一般分为两类:字面量和应用量。字面量就是字符串、final变量等。类名和方法名属于引用量。引用量最常见的是在调用方法的时候,根据方法名找到方法的引用,并以此定为到函数体进行函数代码的执行。引用量包含:类和接口的权限定名、字段的名称和描述符,方法的名称和描述符。本地方法栈Native Method Stack:本地方法栈和Java栈所发挥的作用非常相似,区别不过是Java栈为JVM执行Java方法服务,而本地方法栈为JVM执行Native方法服务。本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常

方法区

方法区也是各个线程共享的内存区域,它用于存储已经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。 Java 虚拟机规范把方法区描述为 Java 堆的一个逻辑部分,而且它和 Java Heap 一样不需要连续的内存,可以选择固定大小或可扩展,另外,虚拟机规范允许该区域可以选择不实现垃圾回收。 已装载类的详细信息包括:

运行时常量池:在方法区中,每个类型都对应一个常量池,存放该类型所用到的所有常量,常量池中存储了诸如文字字符串、final变量值, String 类的 intern()、类名和方法名常量。它们以数组形式通过索引被访问,是外部调用与类联系及类型对象化的桥梁。(存的可能是个普通的字符串,然后经过常量池解析,则变成指向某个类的引用)字段信息:字段信息存放类中声明的每一个字段的信息,包括字段的名、类型、修饰符。方法信息: 类中声明的每一个方法的信息,包括方法名、返回值类型、参数类型、修饰符、异常、方法的字节码。

JAVA栈

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,栈它是用于支持续虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。 对于执行引擎来讲,活动线程中,只有栈顶的栈帧是有效的,称为当前栈帧,这个栈帧所关联的方法称为当前方法,执行引擎所运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些额外的附加信息。 在编译程序代码时,栈帧中需要多大的局部变量表、多深的操作数栈都已经完全确定了,并且写入了方法表的 Code 属性之中。因此,一个栈帧需要分配多少内存,不会受到程序运行期变量数据的影响,而仅仅取决于具体的虚拟机实现。

Java栈内存,以帧的形式存放本地方法的调用状态,包括方法调用的参数、局部变量、中间结果等(方法都是以方法帧的形式存放在方法区的),每调用一个方法就将对应该方法的方法帧压入Java栈,成为当前方法帧。当调用结束(返回)时,就弹出该帧。

Java 栈内存的组成:

局部变量区: 局部变量区为一个以字为单位的数组,每个数组元素对应一个局部变量的值。调用方法时,将方法的局部变量组成一个数组,通过索引来访问。操作数栈: 操作数栈也是一个数组,但是通过栈操作来访问。所谓操作数是那些被指令操作的数据。当需要对参数操作时如a=b+c,就将即将被操作的参数压栈,如将b 和c 压栈,然后由操作指令将它们弹出,并执行操作。虚拟机将操作数栈作为工作区。帧数据区: 帧数据区处理常量池解析,异常处理等.

总结: 堆主要用来存放对象的,栈主要是用来执行程序的. 从软件设计的角度看,JVM栈代表了处理逻辑,而JVM堆代表了数据。这样分开,使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。


补充知识—类加载器

JVM中类的装载是由类加载器(ClassLoader)和它的子类来实现的,Java中的类加载器是一个重要的Java运行时系统组件,它负责在运行时查找和装入类文件中的类。

由于Java的跨平台性,经过编译的Java源程序并不是一个可执行程序,而是一个或多个类文件。当Java程序需要使用某个类时,JVM会确保这个类已经被加载、连接(验证、准备和解析)和初始化。

类的加载

类的加载是指把类的.class文件中的数据读入到内存中,通常是创建一个字节数组读入.class文件,然后产生与所加载类对应的Class对象。加载完成后,Class对象还不完整,所以此时的类还不可用。

连接阶段 当类被加载后就进入连接阶段,这一阶段包括验证、准备(为静态变量分配内存并设置默认的初始值)和解析(将符号引用替换为直接引用)三个步骤。 最后JVM对类进行初始化,包括:

如果类存在直接的父类并且这个类还没有被初始化,那么就先初始化父类;如果类中存在初始化语句,就依次执行这些初始化语句。

类加载器 类的加载是由类加载器完成的,类加载器包括:根加载器(BootStrap)、扩展加载器(Extension)、系统加载器(System)和用户自定义类加载器(java.lang.ClassLoader的子类)。 从Java 2(JDK 1.2)开始,类加载过程采取了父亲委托机制(PDM)。PDM更好的保证了Java平台的安全性,在该机制中,JVM自带的Bootstrap是根加载器,其他的加载器都有且仅有一个父类加载器。类的加载首先请求父类加载器加载,父类加载器无能为力时才由其子类加载器自行加载。 JVM不会向Java程序提供对Bootstrap的引用。

下面是关于几个类加载器的说明:

Bootstrap:一般用本地代码实现,负责加载JVM基础核心类库(rt.jar); Extension:从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库,它的父加载器是Bootstrap; System:又叫应用类加载器,其父类是Extension。它是应用最广泛的类加载器。它从环境变量classpath或者系统属性java.class.path所指定的目录中记载类,是用户自定义加载器的默认父加载器。

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