JVM中有哪些内存区域,分别都是用来干嘛的?

刘超 4月前 ⋅ 940 阅读   编辑

  到底什么是JVM的内存区域划分,其实这个问题非常简单,JVM在运行我们写好的代码时,它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

一、引言

  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,那么这些类加载到内存以后,放到哪儿去了呢?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,我们来看下面的图:

 

  继续看,我们的代码运行起来时,是不是需要执行我们写的一个一个的方法?那么运行方法的时候,方法里面有很多变量之类的东西,是不是需要放在某个内存区域里?接着如果我们写的代码里创建一些对象,这些对象是不是也需要内存空间来存放?同样的,大家看下图:

 

  这就是为什么JVM中必须划分出来不同的内存区域,它是为了我们写好的代码在运行过程中根据需要来使用的。

二、各内存区域介绍

  接下来,我们就一次看看JVM中有哪些内存区域。

  1、存放类的方法区

  这个方法区是在JDK1.8以前的叫法,代表JVM中的一块区域,用于存放从".class"文件里加载进来的类,还会有一些类似常量池的东西放在这个区域里。但是在JDK1.8以后,这块区域的名字改了,叫做"Metaspace",可以认为是"元数据空间"这样的意思。当然这里主要还是存放我们自己写的各种类相关的信息。

  举个例子,还是跟我们之前说的那样,假设我们有一个"Kafka.class"类和"ReplicaManager.class"类,类似下面的代码。

 

  这两个类加载到JVM后,就会放在这个方法区中,大家看下图:

 

  2、执行代码指令用的程序计数器

  继续假设我们的代码是如下所示:

 

  上面代码首先会存在于".java"后缀的文件里,这个文件就是Java源代码文件。但是这个文件是面向我们程序员的,计算机他是看不懂你写的这段代码的。所以此时就得通过编译器,把".java"后缀的源代码文件编译为".class"后缀的字节码文件。这个".class"后缀的字节码文件里,存放的就是对你写出来的代码编译好的字节码了,字节码才是计算机可以理解的一种语言,而不是我们写出来的那一堆代码。

  字节码看起来大概是下面这样的,跟上面的代码无关,就是一个示例而已,给大家感受一下。

public java.lang.String getName();
   descriptor: ()Ljava/lang/String;
   flags: ACC_PUBLIC
   Code:
     stack=1, locals=1, args_size=1
       0: aload_0
       1: get_field    #2
       4: areturn

  这段字节码就是让大家知道".java"翻译成的".class"大概是什么样子的,比如"0: aload_0"这样的,就是"字节码指令",它对应了一条一条的机器指令,计算机只有读到这种机器码指令,才知道具体应该要干什么。比如字节码指令可能会让计算机从内存里读取某个数据,或者把某个数据写入到内存里去,都有可能,各种各样的指令就会指示计算机去干各种各样的事情。所以首先明白一点:我们写好的Java代码会被翻译成字节码,对应各种字节码指令

  现在Java代码通过JVM跑起来的第一件事情就明确了,首先Java代码被编译成字节码指令,然后字节码指令一定会被一条一条执行,这样才能实现我们写好的代码执行的效果,所以当JVM加载类信息到内存之后,实际就会使用自己的字节码执行引擎,去执行我们写的代码编译出来的代码指令,如下图:

 

  那么在执行字节码指令的时候,JVM里就需要一个特殊的内存区域了,那就是"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的,也就是记录目前执行到了那一条字节码指令。我们通过一张图来说明:

 

  大家都知道JVM是支持多个线程的,所以其实你写好的代码可能会开启多个线程并发执行不同的代码,所以就会有多个线程来并发的执行不同的代码指令,因此每个线程都会有自己的一个程序计数器,专门记录当前这个线程目前执行到了哪一条字节码指令了,下图更加清晰的展示出了他们之间的关系:

 

  3、Java虚拟机栈

  Java代码在执行的时候,一定是线程来执行某个方法中的代码,哪怕就是下面的代码,也会有一个main线程来执行main()方法里的代码,在main线程执行main()方法的代码指令的时候,就会通过main线程对应的程序计数器记录自己执行的指令位置。

 

  但是在方法里,我们经常会定义一些方法内的局部变量,比如在上面的main()方法里,其实就有一个"replicaManager"局部变量,他是引用一个ReplicaManager实例对象的,关于这个对象我们先别去管他,先来看看方法和局部变量,因此,JVM必须有一块区域是来保存每个方法内的局部变量等数据的,这个区域就是Java虚拟机栈

  每个线程都有自己的Java虚拟机栈,比如这里的main线程就会有自己的一个Java虚拟机栈,用来存放自己执行的那些方法的局部变量。如果线程执行了一个方法,就会对这个方法调用创建对应的一个栈帧,栈帧里就有这个方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等东西,这里先不用全都理解,我们先关注局部变量

  比如main线程执行了main方法,那么就会给这个main()方法创建一个栈帧,压入main线程的Java虚拟机栈;同时在main()方法的栈帧里,会存放对应的"replicaManager"局部变量,上述过程,如下图所示

 

  然后假设main线程继续执行ReplicaManager对象里的方法,比如下面这样,就在"loadReplicasFromDisk"方法里定义了一个局部变量:"hasFinishedLoad"

 

  那么main线程在执行上面的"loadReplicasFromDisk"方法时,就会为"loadReplicasFromDisk"方法创建一个栈帧压入自己对应的Java虚拟机栈里面去。然后在栈帧的局部变量表里就会有"hasFinishedLoad"这个局部变量。整个过程如下图所示:

 

  接着如果"loadReplicasFromDisk"方法调用了另外一个"isLocalDataCorrupt()"方法,这个方法里也有自己的局部变量,比如下面这样的代码:

 

  那么这个时候会给“isLocalDataCorrupt”方法又创建一个栈帧,压入线程的Java虚拟机栈里。而且“isLocalDataCorrupt”方法的栈帧的局部变量表里会有一个“isCorrupt”变量,这是“isLocalDataCorrupt”方法的局部变量。整个过程,如下图所示:

 

  接着如果“isLocalDataCorrupt”方法执行完毕了,就会把“isLocalDataCorrupt”方法对应的栈帧从Java虚拟机栈里给出栈;然后如果“loadReplicasFromDisk”方法也执行完毕了,就会把“loadReplicasFromDisk”方法也从Java虚拟机栈里出栈。

  上述就是JVM中的“Java虚拟机栈”这个组件的作用:调用执行任何方法时,都会给方法创建栈帧然后入栈,在栈帧里存放了这个方法对应的局部变量之类的数据,包括这个方法执行的其他相关的信息,方法执行完毕之后就出栈。咱们再来看一个图,了解一下每个线程在执行代码时,除了程序计数器以外,还搭配了一个Java虚拟机栈内存区域来存放每个方法中的局部变量表。

 

  4、Java堆内存

  现在知道了,main线程执行main()方法的时候,会有自己的程序计数器。此外,还会依次把main()方法,loadReplicasFromDisk()方法,isLocalDataCorrupt()方法的栈帧压入Java虚拟机栈,存放每个方法的局部变量。那么接着我们就得来看JVM中的另外一个非常关键的区域,就是Java堆内存,这里就是存放我们在代码中创建的各种对象的,比如下面的代码:

 

  上面的“new ReplicaManager()”这个代码就是创建了一个ReplicaManager类的对象实例,这个对象实例里面会包含一些数据,如下面的代码所示。这个“ReplicaManager”类里的“replicaCount”就是属于这个对象实例的一个数据。类似ReplicaManager这样的对象实例,就会存放在Java堆内存里。

 

  Java堆内存区域里会放入类似ReplicaManager的对象,然后我们因为在main方法里创建了ReplicaManager对象的,那么在线程执行main方法代码的时候,就会在main方法对应的栈帧的局部变量表里,让一个引用类型的“replicaManager”局部变量来存放ReplicaManager对象的地址

  相当于你可以认为局部变量表里的“replicaManager”指向了Java堆内存里的ReplicaManager对象。还是给大家来一张图,更加清晰一些:

 

 

  核心内存区域至此全串讲完,其实我们把上面的那个图和下面的这个总的大图一起串起来看看,还有配合整体的代码,我们来捋一下整体的流程,大家就会觉得很清晰。

 

 

 

  首先,你的JVM进程会启动,就会先加载你的Kafka类到内存里。然后有一个main线程,开始执行你的Kafka中的main()方法。main线程是关联了一个程序计数器的,那么他执行到哪一行指令,就会记录在这里。大家结合上图中的程序计数器来理解一下。其次,就是main线程在执行main()方法的时候,会在main线程关联的Java虚拟机栈里,压入一个main()方法的栈帧。接着会发现需要创建一个ReplicaManager类的实例对象,此时会加载ReplicaManager类到内存里来。然后会创建一个ReplicaManager的对象实例分配在Java堆内存里,并且在main()方法的栈帧里的局部变量表引入一个“replicaManager”变量,让他引用ReplicaManager对象在Java堆内存中的地址。

  接着,main线程开始执行ReplicaManager对象中的方法,会依次把自己执行到的方法对应的栈帧压入自己的Java虚拟机栈执行完方法之后再把方法对应的栈帧从Java虚拟机栈里出栈。其实大家理解了这个过程,那么JVM中的各个核心内存区域的功能和对应的我们的Java代码之间的关系,就彻底理解了

  5、其他内存区域

  其实在JDK很多底层API里,比如IO相关的,NIO相关的,网络Socket相关的,如果大家去看他内部的源码,会发现很多地方都不是Java代码了,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,或者一些底层类库,比如下面这样的: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,这个里面也是跟Java虚拟机栈类似的,也是存放各种native方法的局部变量表之类的信息。

  还有一个区域,是不属于JVM的,通过NIO中的allocateDirect这种API,可以在Java堆外分配内存空间。然后,通过Java虚拟机里的DirectByteBuffer来引用和操作堆外内存空间。其实很多技术都会用这种方式,因为有一些场景下,堆外内存分配可以提升性能。

三、小结

  大家需要重点去关注方法区、程序计数器、Java虚拟机栈和Java堆这些内存区域的作用,和我们配套的图以及代码结合起来去理解。


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