02 大厂面试题：你不得不掌握的 JVM 内存管理 本课时我们主要讲解 JVM 的内存划分以及栈上的执行过程。这块内容在面试中主要涉及以下这 3 个面试题：

  • JVM 是如何进行内存区域划分的？
  • JVM 如何高效进行内存管理？
  • 为什么需要有元空间，它又涉及什么问题？

带着这 3 个问题，我们开始今天的学习，关于内存划分的知识我希望在本课时你能够理解就可以，不需要死记硬背，因为在后面的课时我们会经常使用到本课时学习的内容，也会结合工作中的场景具体问题具体分析，这样你可以对 JVM 的内存获得更深刻的认识。 首先，第一个问题：JVM的内存区域是怎么高效划分的？这也是一个高频的面试题。很多同学可能通过死记硬背的方式来应对这个问题，这样不仅对知识没有融会贯通在面试中还很容易忘记答案。 为什么要问到 JVM 的内存区域划分呢？因为 Java 引以为豪的就是它的自动内存管理机制。相比于 C++的手动内存管理、复杂难以理解的指针等，Java 程序写起来就方便的多。 然而这种呼之即来挥之即去的内存申请和释放方式，自然也有它的代价。为了管理这些快速的内存申请释放操作，就必须引入一个池子来延迟这些内存区域的回收操作。 我们常说的内存回收，就是针对这个池子的操作。我们把上面说的这个池子，叫作堆，可以暂时把它看成一个整体。

JVM 内存布局

程序想要运行，就需要数据。有了数据，就需要在内存上存储。那你可以回想一下，我们的 C++ 程序是怎么运行的？是不是也是这样？ Java 程序的数据结构是非常丰富的。其中的内容，举一些例子：

  • 静态成员变量
  • 动态成员变量
  • 区域变量
  • 短小紧凑的对象声明
  • 庞大复杂的内存申请

这么多不同的数据结构，到底是在什么地方存储的，它们之间又是怎么进行交互的呢？是不是经常在面试的时候被问到这些问题？ 我们先看一下 JVM 的内存布局。随着 Java 的发展，内存布局一直在调整之中。比如，Java 8 及之后的版本，彻底移除了持久代，而使用 Metaspace 来进行替代。这也表示着 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 等参数调优，已经没有了意义。但大体上，比较重要的内存区域是固定的。

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JVM 内存区域划分如图所示，从图中我们可以看出：

  • JVM 堆中的数据是共享的，是占用内存最大的一块区域。
  • 可以执行字节码的模块叫作执行引擎。
  • 执行引擎在线程切换时怎么恢复？依靠的就是程序计数器。
  • JVM 的内存划分与多线程是息息相关的。像我们程序中运行时用到的栈，以及本地方法栈，它们的维度都是线程。
  • 本地内存包含元数据区和一些直接内存。

一般情况下，只要你能答出上面这些主要的区域，面试官都会满意的点头。但如果深挖下去，可能就有同学就比较头疼了。下面我们就详细看下这个过程。

虚拟机栈

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栈是什么样的数据结构？你可以想象一下子弹上膛的这个过程，后进的子弹最先射出，最上面的子弹就相当于栈顶。 我们在上面提到，Java 虚拟机栈是基于线程的。哪怕你只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。 栈里的每条数据，就是栈帧。在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦完成相应的调用，则出栈。所有的栈帧都出栈后，线程也就结束了。每个栈帧，都包含四个区域：

  • 局部变量表
  • 操作数栈
  • 动态连接
  • 返回地址

我们的应用程序，就是在不断操作这些内存空间中完成的。

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本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是 native 方法。你甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域，这并不影响我们对 JVM 的了解。 这里有一个比较特殊的数据类型叫作 returnAdress。因为这种类型只存在于字节码层面，所以我们平常打交道的比较少。对于 JVM 来说，程序就是存储在方法区的字节码指令，而 returnAddress 类型的值就是指向特定指令内存地址的指针。

img 这部分有两个比较有意思的内容，面试中说出来会让面试官眼前一亮。

  • 这里有一个两层的栈。第一层是栈帧，对应着方法；第二层是方法的执行，对应着操作数。注意千万不要搞混了。
  • 你可以看到，所有的字节码指令，其实都会抽象成对栈的入栈出栈操作。执行引擎只需要傻瓜式的按顺序执行，就可以保证它的正确性。

这一点很神奇，也是基础。我们接下来从线程角度看一下里面的内容。

程序计数器

那么你设想一下，如果我们的程序在线程之间进行切换，凭什么能够知道这个线程已经执行到什么地方呢？ 既然是线程，就代表它在获取 CPU 时间片上，是不可预知的，需要有一个地方，对线程正在运行的点位进行缓冲记录，以便在获取 CPU 时间片时能够快速恢复。 就好比你停下手中的工作，倒了杯茶，然后如何继续之前的工作？ 程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。这里面存的，就是当前线程执行的进度。下面这张图，能够加深大家对这个过程的理解。

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可以看到，程序计数器也是因为线程而产生的，与虚拟机栈配合完成计算操作。程序计数器还存储了当前正在运行的流程，包括正在执行的指令、跳转、分支、循环、异常处理等。 我们可以看一下程序计数器里面的具体内容。下面这张图，就是使用 javap 命令输出的字节码。大家可以看到在每个 opcode 前面，都有一个序号。就是图中红框中的偏移地址，你可以认为它们是程序计数器的内容。

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堆

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堆是 JVM 上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。 堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。 随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。 由于对象的大小不一，在长时间运行后，堆空间会被许多细小的碎片占满，造成空间浪费。所以，仅仅销毁对象是不够的，还需要堆空间整理。这个过程非常的复杂，我们会在后面有专门的课时进行介绍。 那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置。 Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。 对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。 对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。 我们上面提到，每个线程拥有一个虚拟机栈。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。 注意，像 int[] 数组这样的内容，是在堆上分配的。数组并不是基本数据类型。

这就是 JVM 的基本的内存分配策略。而堆是所有线程共享的，如果是多个线程访问，会涉及数据同步问题。这同样是个大话题，我们在这里先留下一个悬念。

元空间

关于元空间，我们还是以一个非常高频的面试题开始：“为什么有 Metaspace 区域？它有什么问题？” 说到这里，你应该回想一下类与对象的区别。对象是一个活生生的个体，可以参与到程序的运行中；类更像是一个模版，定义了一系列属性和操作。那么你可以设想一下。我们前面生成的 A.class，是放在 JVM 的哪个区域的？ 想要问答这个问题，就不得不提下 Java 的历史。在 Java 8 之前，这些类的信息是放在一个叫 Perm 区的内存里面的。更早版本，甚至 String.intern 相关的运行时常量池也放在这里。这个区域有大小限制，很容易造成 JVM 内存溢出，从而造成 JVM 崩溃。 Perm 区在 Java 8 中已经被彻底废除，取而代之的是 Metaspace。原来的 Perm 区是在堆上的，现在的元空间是在非堆上的，这是背景。关于它们的对比，可以看下这张图。

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然后，元空间的好处也是它的坏处。使用非堆可以使用操作系统的内存，JVM 不会再出现方法区的内存溢出；但是，无限制的使用会造成操作系统的死亡。所以，一般也会使用参数 -XX:MaxMetaspaceSize 来控制大小。 方法区，作为一个概念，依然存在。它的物理存储的容器，就是 Metaspace。我们将在后面的课时中，再次遇到它。现在，你只需要了解到，这个区域存储的内容，包括：类的信息、常量池、方法数据、方法代码就可以了。

小结

好了，到这里本课时的基本内容就讲完了，针对这块的内容在面试中还经常会遇到下面这两个问题。

  • 我们常说的字符串常量，存放在哪呢？

由于常量池，在 Java 7 之后，放到了堆中，我们创建的字符串，将会在堆上分配。

  • 堆、非堆、本地内存，有什么关系？

关于它们的关系，我们可以看一张图。在我的感觉里，堆是软绵绵的，松散而有弹性；而非堆是冰冷生硬的，内存非常紧凑。

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大家都知道，JVM 在运行时，会从操作系统申请大块的堆内内存，进行数据的存储。但是，堆外内存也就是申请后操作系统剩余的内存，也会有部分受到 JVM 的控制。比较典型的就是一些 native 关键词修饰的方法，以及对内存的申请和处理。 在 Linux 机器上，使用 top 或者 ps 命令，在大多数情况下，能够看到 RSS 段（实际的内存占用），是大于给 JVM 分配的堆内存的。 如果你申请了一台系统内存为 2GB 的主机，可能 JVM 能用的就只有 1GB，这便是一个限制。

总结

JVM 的运行时区域是栈，而存储区域是堆。很多变量，其实在编译期就已经固定了。.class 文件的字节码，由于助记符的作用，理解起来并不是那么吃力，我们将在课程最后几个课时，从字节码层面看一下多线程的特性。 JVM 的运行时特性，以及字节码，是比较偏底层的知识。本课时属于初步介绍，有些部分并未深入讲解。希望你应该能够在脑海里建立一个 Java 程序怎么运行的概念，以便我们在后面的课时中，提到相应的内存区域时，有个整体的印象。

参考资料

https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/%e6%b7%b1%e5%85%a5%e6%b5%85%e5%87%ba%20Java%20%e8%99%9a%e6%8b%9f%e6%9c%ba-%e5%ae%8c/02%20%e5%a4%a7%e5%8e%82%e9%9d%a2%e8%af%95%e9%a2%98%ef%bc%9a%e4%bd%a0%e4%b8%8d%e5%be%97%e4%b8%8d%e6%8e%8c%e6%8f%a1%e7%9a%84%20JVM%20%e5%86%85%e5%ad%98%e7%ae%a1%e7%90%86.md