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004、大厂面试题：JVM中有哪些内存区域，分别都是用来干嘛的？

CarlZhou3年前 (2021-05-19)JVM941

1、前文回顾

上一篇文章我们聊了一下JVM类加载这块的机制，先简单回顾一下。

大家需要搞明白的是，在什么情况下会触发类的加载？加载之后的验证、准备和解析分别是干什么的？

尤为重要的是准备阶段和初始化阶段，是如何为类分配内存空间的？然后类加载器的规则是什么？

来看一下上篇文章的图，简单回顾一下。
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192206176872031.png)
2、大厂面试背景引入

很多人想要到阿里、美团、京东等互联网大公司去面试，但是现在互联网大厂面试一般都必定会考核JVM相关的知识积累

所以在了解完了JVM的类加载机制之后，先一起来看看JVM的内存区域划分，这个基本上是互联网公司面试必问。

3、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，他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。

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，那么我问问大家，这些类加载到内存以后，放到哪儿去了呢？想过这个问题吗？

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：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192206311181749.png)
继续来看，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：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192206429622652.png)
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。

接下来，我们就依次看看JVM中有哪些内存区域。

4、存放类的方法区

这个方法区是在JDK 1.8以前的版本里，代表JVM中的一块区域。

主要是放从“.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JDK 1.8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。
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192206571419476.png)
这两个类加载到JVM后，就会放在这个方法区中，大家看下图：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192207099625402.png)
5、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：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192207279996699.png)
之前给大家讲过，实际上上面那段代码首先会存在于“.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。

字节码才是计算器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。
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192207411886919.png)
这段字节码就是让大家知道“.java”翻译成的“.class”是大概什么样子的。

比如“0: aload_0”这样的，就是“字节码指令”，他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。

所以现在大家首先明白一点：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。
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192207552096177.png)
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哪一条字节码指令。

我们通过一张图来说明：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192208099535021.png)
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。
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192208276872797.png)
6、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。
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192208426426949.png)
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，这里大家先不用全都理解，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：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192208556822916.png)
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”
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192209093159564.png)
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线程自己的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：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192209224789885.png)
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：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192209352074442.png)
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：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192209499934374.png)
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。
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192210043298086.png)
7、Java堆内存

现在大家都知道了，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：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192210195725131.png)
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。
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192210325400701.png)
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：
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192210467887060.png)
8、核心内存区域的全流程串讲

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。
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192211015556206.png)
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192211181362954.png)
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。

看到这里，大家结合上面的两个图理解一下。

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

9、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。

10、本文小结

本文到这里就结束了，基本上把JVM里的核心内存区域的功能解释清楚了

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。
11、昨日思考题解答

昨天让大家去思考一下：Tomcat这种Web容器中的类加载器应该如何设计实现？

这里给大家一个简单的思路给回复。

首先Tomcat的 类加载器体系如下图所示，他是自定义了很多类加载器的。
![](http://szv5.cn/zb_users/upload/2021/05/202105192211487612315.png)
Tomcat自定义了Common、Catalina、Shared等类加载器，其实就是用来加载Tomcat自己的一些核心基础类库的。

然后Tomcat为每个部署在里面的Web应用都有一个对应的WebApp类加载器，负责加载我们部署的这个Web应用的类

至于Jsp类加载器，则是给每个JSP都准备了一个Jsp类加载器。

而且大家一定要记得，Tomcat是打破了双亲委派机制的

每个WebApp负责加载自己对应的那个Web应用的class文件，也就是我们写好的某个系统打包好的war包中的所有class文件，不会传导给上层类加载器去加载。

如果大家感兴趣，可以自己找资料去学习研究Tomcat的类加载机制。

12、今日思考题

今天我们学习了JVM中的各个内存区域，那么先留给大家一个思考题：

我们在Java堆内存中分配的那些对象，到底会占用多少内存？一般怎么来计算和估算我们的系统创建的对象对内存占用的一个压力呢？

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