JVM内存模型图解

当前线程

当前栈帧（SF）局部变量表（LV）操作数栈（OS）动态连接（DL）返回地址（RA）

栈帧n：LV、OS、DL、RA

....

栈帧2：LV、OS、DL、RA

栈帧1：LV、OS、DL、RA

S0(from)

t1

t2

...

tn

new

栈上分配

TLAB?

Y

方法区

垃圾回收器

程序计数器

MarkWord

编译器

扩展类加载器

卸载（Unloading）

即时编译器

每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。局部变量表(Local Variables Table)是一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。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）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。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。Java虚拟机栈内存两类异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

pop

JIT代码缓冲

类的生命周期

线程n

对象类型数据

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

类加载子系统

使用（Using）

连接（Linking）

准备（Preparation）

例如在32位的HotSpot虚拟机中，如对象未被同步锁锁定的状态下，Mark Word的32个比特存储空间中的25个比特用于存储对象哈希码，4个比特用于存储对象分代年龄，2个比特用于存储锁标志位，1个比特固定为0，在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容如下表所示。

验证的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。验证包括：1.文件格式验证 2.元数据验证 3.字节码验证 4.符号引用验证准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。1.类或接口的解析 2.字段解析 3.方法解析 4.接口方法解析 

大？

GC清除？

age>15?

Eden

老年代

分析器

方法区用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。在JDK 6的时候HotSpot开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了[1]，到了JDK 7的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出，而到了JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

初始化（Initialization）

N

本地方法库

cinit

运行时数据区

代码优化器

java堆（Java Heap）

本地方法接口

线程不共享

运行时常量池

线程共享

S1(to)

启动类加载器

start

对象类型数据指针

中间代码生成器

“加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，希望读者没有混淆这两个看起来很相似的名词。在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：1）通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。2）将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。3）在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

线程2

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

存储内容

标志位

状态

对象哈希码、对象分代年龄

01

未锁定

指向锁记录的指针

00

轻量级锁定

指向重量级锁的指针

10

膨胀（重量级锁）

空，不需要记录信息

11

GC标记

偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄

可偏向

验证（Verification）

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里[1]，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。CPU每个处理器同一时刻只能执行一条指令，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条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。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

线程1程序计数器

字节码文件（.class）

cafebabe......

栈？

自定义类加载器

字符串常量池

对象头（Header）

实例数据（Instance Data）

对齐填充（Padding）

对象实例化

S1

目标代码生成器

锁状态

1bit

2bit

23bit

4bit

偏向锁？

锁标志位

对象

的hashCode

分代年龄

0

指向

栈中

锁记录

的指针

互斥量

（重量级锁）

线程id

Epoch

1

本地方法栈（Native Method Stacks）

加载（Loading）

解析（Resolution）

线程2程序计数器

FGC

Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。如果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），以提升对象分配时的效率。（可通过-XX：+/-UseTLAB参数来设置是否使用）-Xms20M、-Xmx20M、-Xmn10M这三个参数限制了Java堆大小为20MB，不可扩展，其中10MB分配给新生代，剩下的10MB分配给老年代。-XX：Survivor-Ratio=8决定了新生代中Eden区与一个Survivor区的空间比例是8∶1对象头部分包括两类信息。第一类是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32个比特和64个比特，官方称它为“Mark Word”。另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。此外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。接下来实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面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字段都必须记录起来。

线程n程序计数器

新生代

将Reference入栈

静态变量

加载？

Java创建对象通常（例外：复制、反序列化）仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象（文中讨论的对象限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等）的创建又是怎样一个过程呢？当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定。如果内存规整采用“指针碰撞”（Bump ThePointer）的方式分配内存，如果内存不规整采用“空闲列表”（Free List）的方式分配内存。线程安全问题解决方案：一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另外一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local AllocationBuffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。接下来，Java虚拟机还要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才计算）、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

系统类加载器

类型信息

TLAB

end

执行引擎

初始化阶段开始执行类中编写的Java程序代码（执行类构造器<clinit>()方法），将主导权移交给应用程序。<clinit>()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的

更新PC计数器

类加载（加载、连接、初始化）

S2