Detailed 7.Java memory model

https://blog.csdn.net/qq_37141773/article/details/103138476

A virtual machine

The same java code certainly not the same in the machine code generated by different platforms, different operating systems because the underlying hardware instruction set is different.

With a java code generated on the windows machine code may be 0101 ......., generated in 1100 ...... linux might be, then this is how to achieve it?

I do not know the students still remember, download jdk, we in oracle official website, based on different operating systems or to download different versions of the median jdk version, which means that there are different for different operating systems, virtual machines jdk implementation.

Then the virtual machine is what is it, as a shield to distinguish between different operating systems on the underlying hardware and instructions from the software level, the origin of which is cross-platform.

Here the students may still not quite understand, that's still too macro, and then we come to understand the composition of java virtual machine under.

Second, the virtual machine components

1. Stack

We speak about an area of memory where the stack, we all know that the stack is stored in a local variable, also thread a unique area, that is, each thread will have its own independent stack area.

 1 public class Math {
 2     public static int initData = 666;
 3     public static User user = new User();
 4  
 5     public int compute() {
 6         int a = 1;
 7         int b = 2;
 8         int c = (a+b) * 10;
 9         return c;
10     }
11  
12     public static void main(String[] args) {
13         Math math = new Math();
14         math.compute();
15         System.out.println("test");
16     }
17 }

说起栈大家都不会陌生，数据结构中就有学，这里线程栈中存储数据的部分使用的就是栈，先进后出。

大家都知道每个方法都有自己的局部变量，比如上图中main方法中的math，compute方法中的a b c，那么java虚拟机为了区分不同方法中局部变量作用域范围的内存区域，每个方法在运行的时候都会分配一块独立的栈帧内存区域，我们试着按上图中的程序来简单画一下代码执行的内存活动。

执行main方法中的第一行代码是，栈中会分配main()方法的栈帧，并存储math局部变量,，接着执行compute()方法，那么栈又会分配compute()的栈帧区域。

这里的栈存储数据的方式和数据结构中学习的栈是一样的，先进后出。当compute()方法执行完之后，就会出栈被释放，也就符合先进后出的特点，后调用的方法先出栈。

栈帧

那么栈帧内部其实不只是存放局部变量的，它还有一些别的东西，主要由四个部分组成。

那么要讲这个就会涉及到更底层的原理--字节码。我们先看下我们上面代码的字节码文件。

看着就是一个16字节的文件，看着像乱码，其实每个都是有对应的含义的，oracle官方是有专门的jvm字节码指令手册来查询每组指令对应的含义的。那我们研究的，当然不是这个。

jdk有自带一个javap的命令，可以将上述class文件生成一种更可读的字节码文件。

我们使用javap -c命令将class文件反编译并输出到TXT文件中。

 1 Compiled from "Math.java"
 2 public class com.example.demo.test1.Math {
 3   public static int initData;
 4  
 5   public static com.example.demo.bean.User user;
 6  
 7   public com.example.demo.test1.Math();
 8     Code:
 9        0: aload_0
10        1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
11        4: return
12  
13   public int compute();
14     Code:
15        0: iconst_1
16        1: istore_1
17        2: iconst_2
18        3: istore_2
19        4: iload_1
20        5: iload_2
21        6: iadd
22        7: bipush        10
23        9: imul
24       10: istore_3
25       11: iload_3
26       12: ireturn
27  
28   public static void main(java.lang.String[]);
29     Code:
30        0: new           #2                  // class com/example/demo/test1/Math
31        3: dup
32        4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V
33        7: astore_1
34        8: aload_1
35        9: invokevirtual #4                  // Method compute:()I
36       12: pop
37       13: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
38       16: ldc           #6                  // String test
39       18: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
40       21: return
41  
42   static {};
43     Code:
44        0: sipush        666
45        3: putstatic     #8                  // Field initData:I
46        6: new           #9                  // class com/example/demo/bean/User
47        9: dup
48       10: invokespecial #10                 // Method com/example/demo/bean/User."<init>":()V
49       13: putstatic     #11                 // Field user:Lcom/example/demo/bean/User;
50       16: return
51 }

此时的jvm指令码就清晰很多了，大体结构是可以看懂的，类、静态变量、构造方法、compute()方法、main()方法。

其中方法中的指令还是有点懵，我们举compute()方法来看一下：

 1 Code:
 2        0: iconst_1
 3        1: istore_1
 4        2: iconst_2
 5        3: istore_2
 6        4: iload_1
 7        5: iload_2
 8        6: iadd
 9        7: bipush        10
10        9: imul
11       10: istore_3
12       11: iload_3
13       12: ireturn

这几行代码就是对应的我们代码中compute()方法中的四行代码。大家都知道越底层的代码，代码实现的行数越多，因为他会包含一些java代码在运行时底层隐藏的一些细节原理。

那么一样的，这个jvm指令官方也是有手册可以查阅的，网上也有很多翻译版本，大家如果想了解可自行百度。

这里我只讲解本博文设计代码中的部分指令含义：

0. 将int类型常量1压入操作数栈

0: iconst_1

这一步很简单，就是将1压入操作数栈

1. 将int类型值存入局部变量1

1: istore_1

局部变量1，在我们代码中也就是第一个局部变量a，先给a在局部变量表中分配内存，然后将int类型的值，也就是目前唯一的一个1存入局部变量a

2. 将int类型常量2压入操作数栈

2: iconst_2

3. 将int类型值存入局部变量2

3: istore_2

这两行代码就和前两行类似了。

4. 从局部变量1中装载int类型值

4: iload_1

5. 从局部变量2中装载int类型值

5: iload_2

这两个代码是将局部变量1和2，也就是a和b的值装载到操作数栈中

6. 执行int类型的加法

6: iadd

iadd指令一执行，会将操作数栈中的1和2依次从栈底弹出并相加，然后把运算结果3在压入操作数栈底。

7. 将一个8位带符号整数压入栈

7: bipush        10

这个指令就是将10压入栈

8. 执行int类型的乘法

9: imul

这里就类似上面的加法了，将3和10弹出栈，把结果30压入栈

9. 将将int类型值存入局部变量3

10: istore_3

这里大家就不陌生了吧，和第二步第三步是一样的，将30存入局部变量3，也就是c

10. 从局部变量3中装载int类型值

11: iload_3

这个前面也说了

11. 返回int类型值

12: ireturn

这个就不用多说了，就是将操作数栈中的30返回

到这里就把我们compute()方法讲解完了，讲完有没有对局部变量表和操作数栈的理解有所加深呢？说白了赋值号=后面的就是操作数，在这些操作数进行赋值，运算的时候需要内存存放，那就是存放在操作数栈中，作为临时存放操作数的一小块内存区域。

接下来我们再说说方法出口。

方法出口说白了不就是方法执行完了之后要出到哪里，那么我们知道上面compute()方法执行完之后应该回到main()方法第三行那么当main()方法调用compute()的时候，compute()栈帧中的方法出口就存储了当前要回到的位置，那么当compute()方法执行完之后，会根据方法出口中存储的相关信息回到main()方法的相应位置。

那么main()方同样有自己的栈帧，在这里有些不同的地方我们讲一下。

我们上面已经知道局部变量会存放在栈帧中的局部变量表中，那么main()方法中的math会存入其中，但是这里的math是一个对象，我们知道new出来的对象是存放在堆中的

那么这个math变量和堆中的对象有什么联系呢？是同一个概念么？

当然不是的，局部变量表中的math存储的是堆中那个math对象在堆中的内存地址

2. 程序计数器

程序计数器也是线程私有的区域，每个线程都会分配程序计数器的内存，是用来存放当前线程正在运行或者即将要运行的jvm指令码对应的地址，或者说行号位置。

上述代码中每个指令码前面都有一个行号，你就可以把它看作当前线程执行到某一行代码位置的一个标识，这个值就是程序计数器的值。

那么jvm虚拟机为什么要设置程序计数器这个结构呢？就是为了多线程的出现，多线程之间的切换，当一个程序被挂起的时候，总是要恢复的，那么恢复到哪个位置呢，总不能又重新开始执行吧，那么程序计数器就解决了这个问题。

3. 方法区

在jdk1.8之前，有一个名称叫做持久带/永久代，很多同学应该听过，在jdk1.8之后，oracle官方改名为元空间。存放常量、静态变量、类元信息。

public static int initData = 666;

这个initData就是静态变量，毋庸置疑是存放在方法区的

public static User user = new User();

那么这个user就有点不一样了，user变量放在方法区，new的User是存放在堆中的

到这里我们就能意识到栈，堆，方法区之间都是有联系的。

栈中的局部变量，方法区中的静态变量，如果是对象类型的话都会指向堆中new出来中的对象，那么红色的联系代表什么呢？我们先来了解一下对象。

对象组成

你对对象的了解有多少呢，天天用对象，你是否知道对象在虚拟机中的存储结构呢？

对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。下图是普通对象实例与数组对象实例的数据结构：

对象头

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息：

Mark Word

第一部分markword,用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为“MarkWord”。

Klass Pointer

对象头的另外一部分是klass类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例.

数组长度（只有数组对象有）

如果对象是一个数组, 那在对象头中还必须有一块数据用于记录数组长度.

实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。

对齐填充

第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

其中的klass类型指针就是那条红色的联系，那是怎么联系的呢？

new Thread().start();

类加载其实最终是以类元信息的形式存储在方法区中的，math和math2都是由同一个类new出来的，当对象被new时，都会在对象头中存储一个指向类元信息的指针，这就是Klass Pointer.

到这里我们就讲解了栈，程序计数器和方法区，下面我们简单介绍一下本地方法区，最后再终点讲解堆。

4.本地方法栈

实际上现在本地方法栈已经用的比较少了，大家应该都有听过本地方法吧

如何经常用的线程类

 1 new Thread().start();
 2 
 3  
 4 
 5 public synchronized void start() {
 6         if (threadStatus != 0)
 7             throw new IllegalThreadStateException();
 8         group.add(this);
 9         boolean started = false;
10         try {
11             start0();
12             started = true;
13         } finally {
14             try {
15                 if (!started) {
16                     group.threadStartFailed(this);
17                 }
18             } catch (Throwable ignore) {
19             }
20         }
21     }

其中底层调用了一个start0()的方法

private native void start0();

这个方法没有实现，但又不是接口，是使用native修饰的，是属于本地方法，底层通过C语言实现的，那java代码里为什么会有C语言实现的本地方法呢？

大家都知道JAVA是问世的，在那之前一个公司的系统百分之九十九都是使用C语言实现的，但是java出现后，很多项目都要转为java开发，那么新系统和旧系统就免不了要有交互，那么就需要本地方法来实现了，底层是调用C语言中的dll库文件，就类似于java中的jar包，当然，如今跨语言的交互方式就很多了，比如thrift，http接口方式，webservice等，当时并没有这些方式，就只能通过本地方法来实现了。

那么本地方法始终也是方法，每个线程在运行的时候，如果有运行到本地方法，那么必然也要产生局部变量等，那么就需要存储在本地方法栈了。如果没有本地方法，也就没有本地方法栈了。

5.堆

最后我们讲堆，堆是最重要的一块内存区域，我相信大部分人对堆都不陌生。但是对于它的内部结构，运作细节想要搞清楚也没那么简单。

对于这个基本组成大家应该都有所了解，对就是由年轻代和老年代组成，年轻代又分为伊甸园区和survivor区，survivor区中又有from区和to区.

我们new出来的对象大家都知道是放在堆中，那具体放在堆中的哪个位置呢？

其实new出来的对象一般都放在Eden区，那么为什么叫伊甸园区呢，伊甸园就是亚当夏娃住的地方，不就是造人的地方么？所以我们new出来的对象就是放在这里的，那当Eden区满了之后呢？

假设我们给对分配600M内存，这个是可以通过参数调节的，我们后文再讲。那么老年代默认是占2/3的，也就是差不多400M，那年轻代就是200M，Eden区160M，Survivor区40M。

GC

一个程序只要在运行，那么就不会不停的new对象，那么总有一刻Eden区会放满，那么一旦Eden区被放满之后，虚拟机会干什么呢？没错，就是gc，不过这里的gc属于minor gc，就是垃圾收集，来收集垃圾对象并清理的，那么什么是垃圾对象呢？

好比我们上面说的math对象，我们假设我们是一个web应用程序，main线程执行完之后程序不会结束，但是main方法结束了，那么main()方法栈帧会被释放，局部变量会被释放，但是局部变量对应的堆中的对象还是依然存在的，但是又没有指针指向它，那么它就是一个垃圾对象，那就应该被回收掉了，之后如果还会new Math对象，也不会用这个之前的了，因为已经无法找到它了，如果留着这个对象只会占用内存，显然是不合适的。

这里就涉及到了一个GC Root根以及可达性分析算法的概念，也是面试偶尔会被问到的。

可达性分析算法是将GC Roots对象作为起点，从这些起点开始向下搜索引用的对象，找到的对象都标记为非垃圾对象，其余未标记的都是垃圾对象。

那么GC Roots根对象又是什么呢，GC Roots根就是判断一个对象是否可以回收的依据，只要能通过GC Roots根向下一直搜索能搜索到的对象，那么这个对象就不算垃圾对象，而可以作为GC Roots根的有线程栈的本地变量，静态变量，本地方法栈的变量等等，说白了就是找到和根节点有联系的对象就是有用的对象，其余都认为是垃圾对象来回收。

经历了第一次minor gc后，没有被清理的对象就会被移到From区，如上图。

上面在说对象组成的时候有写到，在对象头的Mark Word中有存储GC分代年龄，一个对象每经历一次gc，那么它的gc分代年龄就会+1，如上图。

那么如果第二次新的对象又把Eden区放满了，那么又会执行minor gc，但是这次会连着From区一起gc，然后将Eden区和From区存活的对象都移到To区域，对象头中分代年龄都+1，如上图。

那么当第三次Eden区又满的时候，minor gc就是回收Eden区和To区域了，TEden区和To区域还活着的对象就会都移到From区，如上图。说白了就是Survivor区中总有一块区域是空着的，存活的对象存放是在From区和To区轮流存放，也就是互相复制拷贝，这也就是垃圾回收算法中的复制-回收算法。

如果一个对象经历了一个限值15次gc的时候，就会移至老年代。那如果还没有到限值，From区或者To区域也放不下了，就会直接挪到老年代，这只是举例了两种常规规则，还有其他规则也是会把对象存放至老年代的。

那么随着应用程序的不断运行，老年代最终也是会满的，那么此时也会gc，此时的gc就是Full gc了。

GC案例

下面我们通过一个简单的演示案例来更加清楚的了解GC。

 1 public class HeapTest {
 2     byte[] a = new byte[1024*100];
 3     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 4         ArrayList<HeapTest> heapTest = new ArrayList<>();
 5         while(true) {
 6             heapTest.add(new HeapTest());
 7             Thread.sleep(10);
 8         }
 9     }
10 }