JVM内存模型详解

JVM内存模型主要指的是Java虚拟机在运行时管理内存的方式，以及它如何保证线程之间规范而安全地共享数据。JVM内存模型可分为几个关键区域，各自负责不同的功能：

1. 程序计数器（Program Counter Register）

• 作用：程序计数器是一块较小的内存空间，用于记录当前线程所执行的字节码指令的地址，帮助CPU知道下一条要执行的指令。如果线程正在执行的是Java方法，计数器记录的是字节码指令的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，计数器值则为空（Undefined）。
• 线程私有：每个线程都有一个独立的程序计数器，互不影响。
• 无内存溢出：程序计数器是唯一一个在《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（Java Virtual Machine Stacks）

• 作用：Java虚拟机栈是线程私有的，用于描述Java方法执行的线程内存模型。每个方法执行时会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
  • 局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、 float、long、double）、对象引用（reference类型）
  • 这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
• 异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常；如果栈扩展失败，将抛出OutOfMemoryError异常。

3. 本地方法栈（Native Method Stacks）

• 作用：线程私有，与虚拟机栈类似，但为虚拟机使用的本地（Native）方法服务。
• 异常情况：与虚拟机栈类似，本地方法栈也会在栈深度溢出或栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4. Java堆（Java Heap）

• 作用：Java堆是所有线程共享的一块内存区域，用于存放对象实例。几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
• 垃圾回收：Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为“GC堆”。
• 异常情况：如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。
• 从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。在多线程环境中，堆内存是线程共享的，因此对象分配时需要同步操作，这会导致性能下降。TLAB通过为每个线程分配独立的内存空间，避免了多线程之间的内存分配竞争，从而提高了内存分配效率。

5. 方法区（Method Area）

• 作用：逻辑概念，方法区是线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。
• 异常情况：当方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
• JDK 8的变化：JDK 8及之后的版本将方法区存放在元空间（Metaspace）中，元空间位于操作系统维护的直接内存中。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

• 是方法区的一部分，class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），常量池表中存放了编译期生成的各种字面量和符号引用，具备动态性。
• 当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存（Direct Memory）

实际上是本机物理内存

• 作用：直接内存不是虚拟机运行时数据区的一部分，但会被频繁使用。它用于NIO等操作，通过Unsafe类直接分配内存。
• 异常情况：可能导致OutOfMemoryError异常。