图解JVM内存模型和JVM线程模型

JVM内存模型即运行时数据区，在JVM1.8中，主要由方法区（元数据区）、堆、虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器组成，其中堆和方法区是线程共享的，虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程隔离的。

• 方法区（JVM1.8为元数据区）

  作用：存放虚拟机加载的类型信息，域（Field）信息，方法（Method）信息，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码缓存。方法区中存在运行时常量池，字面量、符号引用等存放入其中。

  内存溢出：无法申请到内存时，将抛出OutOfMemoryError。

  Hotspot演变：

  Java6及之前：方法区存在永久代，保存有静态变量。

  Java7：进行去永久代工作，虽然还保留着，但静态常量池，如字符串常量池，已经移动到堆中。

  Java8：移除永久代，类型信息、域（Field）信息、方法（Method）信息存放在元数据区；字符串常量池、静态变量存放在堆区。

  较为完整的JVM内存模型图如下：

  

  单独的JVM内存模型图如下：

  

• 虚拟机栈

  作用：保存每一次方法调用的信息。每个Java线程创建时，都会创建对应的虚拟机栈，每一次方法调用，都会往栈中压入一个栈帧。

  栈帧内容：

  局部变量表：保存函数的局部变量。

  操作数栈：保存计算过程中的结果，即临时变量。

  动态链接：指向方法区的运行时常量池。字节码中的方法调用指令以常量池中指向方法的符号引用为参数。

  方法的返回地址。

  栈帧图如下：

  

• 本地方法栈：和虚拟机栈功能上类似，管理native方法的一些执行细节，而虚拟机栈管理的是Java方法的执行细节。
• 程序计数器

  作用：记录线程执行的字节码行号，如果当前线程正在运行native方法则为空，也有称之为PC寄存器。

  重要性：字节码解释器在工作时，通过改变计数器的值来选取下一跳需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基本功能都需要依赖计数器来完成。Java虚拟机通过轮流切换并分配处理器执行时间实现多线程，在任意确定的时间点，一个处理器只会处理一个线程中的指令，为了正确地处理线程切换后的任务恢复，每一个线程都具有自身的程序计数器。

• 堆

  作用：提供类实例和数组的内存。

  划分：

  新生代：亦可称之年轻代、New Generation，包括Eden区、Survivor区（S0和S1中存在互相移动，一些文章中的from、to是指移动上的逻辑关系，S0和S1是Survivor区的两个子区）。

  老年代：Old Generation。

  堆内存划分图如下：

  

  对象创建与GC关系：

  新生成的对象在Eden区。

  触发Minor GC后，还“幸存”的对象移动到S0。

  再次触发Minor GC后，S0和Eden中存活的对象被移动到S1中，S0清空。

  每次移动时，自动递增计数器，超过默认值时（印象中是16），移动到老年代，如果Eden中没有足够内存分配，也将直接在老年代中分配内存。

  老年代中依靠Major GC。

• 小总结图：
  

Java线程的实现方式有三种，分别是使用内核线程实现、使用用户线程实现、使用用户线程加轻量级进程混合实现，具体如下：

• 内核线程模型

  实现方式：完全依赖操作系统内核提供的内核线程（Kernel-Level Thread ，KLT）来实现多线程，线程的切换调度由系统内核完成。程序一般使用轻量级进程（Light Weight Process, LWP）这种高级接口，用户进程中通过LWP使用系统的内核线程，由于其一对一的关系，又称为一对一模型。

  优点：用户线程与LWP一一对应，LWP是独立的调度单元，某个LWP在用户进程调用过程中发生阻塞，以及在系统调用中发生了阻塞，都不会影响整个进程的执行。

  缺点：LWP依托内核线程，线程操作需要依赖系统调用，代价较高，需要在用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）中来回切换；每个LWP都需要一个内核线程进行支持，要消耗一定的内核资源，一个系统仅可支持少量有限的LWP。

  内核线程模型图如下：

  

• 用户线程模型

  实现方式：JVM平台实现用户线程（User Thread，UT），完全自行实现创建、调度、销毁，线程的调度不再依赖内核，极少占据内核资源，基本限定在用户态内。

  优点：可以突破量的限制，并且减少线程切换时的损耗。

  缺点：难以利用多核CPU的优势，并且一旦产生系统调用发生中断，其他线程也将被中断，这种多对一模型的实用性较低。

  用户线程模型图如下：

  

• 混合模型

  实现方式：又称多对多模型，既存在UT，也存在LWP。创建、切换线程(UT)依旧是廉价的，并且可以拥有大量的线程；同时利用LWP作为UT到KLT（内核线程）的桥梁，享受了系统内核的线程调度、CPU映射，免去了自行实现系统调用的部分。

  优点：进行系统调用时，阻塞整个进程的概率低于用户线程模型。

  混合模型图如下：