JMM內存模型和JVM內存結構
JAVA內存模型(Java Memory Model)
Java內存模型，一般指的是JDK 5 開始使用的新的內存模型，主要由JSR-133: JavaTM Memory Model and Thread Specification 描述。
JMM就是一種符合內存模型規范的，屏蔽了各種硬件和操作系統的訪問差異的，保證了Java程序在各種平台下對內存的訪問都能保證效果一致的機制及規范。
內存模型可以理解為在特定的操作協議下，對特定的內存或者高速緩存進行讀寫訪問的過程抽象，不同架構下的物理機擁有不一樣的內存模型，Java虛擬機也有自己的內存模型，即Java內存模型（Java Memory Model, JMM）。在C/C++語言中直接使用物理硬件和操作系統內存模型，導致不同平台下並發訪問出錯。而JMM的出現，能夠屏蔽掉各種硬件和操作系統的內存訪問差異，實現平台一致性，是的Java程序能夠“一次編寫，到處運行”。
JMM主要解決的問題： 解決由於多線程通過共享內存進行通信時，存在的本地內存數據不一致、編譯器會對代碼指令重排序、處理器會對代碼亂序執行等帶來的問題
- 緩存一致性問題其實就是可見性問題。
- 處理器優化是可以導致原子性問題
- 指令重排即會導致有序性問題
內存模型解決並發問題主要采用兩種方式：限制處理器優化和使用內存屏障
參考:
JVM內存結構
傳送門：JAVA 虛擬機規范
HotSpot 白皮書： Memory Management in the Java HotSpot Virtual Machine 它描述了垃圾回收(GC)觸發的內存自動管理
其實 Java 虛擬機的內存結構並不是官方的說法，在《Java 虛擬機規范》中用的是「運行時數據區(Run-Time Data Areas)」這個術語
下圖能很清晰的說明JVM內存結構布局：
JVM內存結構主要有三大塊：
- 堆內存(Heap)
- 方法區/永久代(Method Area/PermGen) 或者別名Non-Heap(非堆)
- 棧(Thraed...)
在《深入理解Java虛擬機（第二版）》中的描述是下面這個樣子的：
按照《JAVA 虛擬機規范》的中所述，可以分為公有和私有兩部分
-
公有部分: 堆[Heap]、方法區[Method Area]、常量池[Constant Pool]
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私有部分： PC寄存器、VM虛擬機棧、本地方法棧
各個區域的內存大小
通過一張圖了解如何通過參數來控制各個區域的內存大小
參數說明：
-Xms:設置堆的最小空間大小。
-Xmx:設置堆的最大空間大小。
-XX:NewSize設置新生代最小空間大小。
-XX:MaxNewSize設置新生代最大空間大小。
-XX:PermSize設置永久代最小空間大小。
-XX:MaxPermSize設置永久代最大空間大小。
-Xss:設置每個線程的堆棧大小。
沒有直接設置老年代的參數，但是可以設置堆空間大小和新生代空間大小兩個參數來間接控制。
老年代空間大小=堆空間大小-年輕代大空間大小
JAVA堆(Heap)
Java堆是被所有線程共享的一塊內存區域,在虛擬機啟動時創建.
這塊區域專門用於 Java 實例對象和數組的內存分配，幾乎所有實例對象都在會這里進行內存的分配
之所以說幾乎是因為有特殊情況，有些時候小對象會直接在棧上進行分配，這種現象我們稱之為「棧上分配」
Java堆的內存划分
Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱做“GC堆”。
如果從內存回收的角度看，由於現在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細分
主要被划分為： 新生代「Young Generation」和老年代「Old Generation」
新生代「Young Generation」又可分為：Eden、From Survivor 0、To Survivor 1
根據《JAVA 虛擬機規范》的規定，Java堆可以處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過-Xmx和-Xms控制）。
堆可以具有固定大小，或者可以根據計算的需要進行擴展，並且如果不需要更大的堆，則可以收縮。
如果在堆中沒有內存完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。
不同區域的生命周期
- 新建(New)或者短期對象會存放在
Eden區域 - 幸存或者中期的對象會從Eden拷貝到
Survivor區域 - 始終存在的或者長期存在的對象將會從
Survivor拷貝到Old Generation
當有對象需要分配時，一個對象永遠優先被分配在年輕代的 Eden 區，等到 Eden 區域內存不夠時，Java 虛擬機會啟動垃圾回收。此時 Eden 區中沒有被引用的對象的內存就會被回收，而一些存活時間較長的對象則會進入到老年代。
在 JVM 中有一個名為 -XX:MaxTenuringThreshold 的參數(默認為7)專門用來設置晉升到老年代所需要經歷的 GC 次數，即在年輕代的對象經過了指定次數的 GC 后，將在下次 GC 時進入老年代
為什么 Java 堆要進行這樣一個區域划分呢
虛擬機中的對象必然有存活時間長的對象，也有存活時間短的對象，這是一個普遍存在的正態分布規律。如果我們將其混在一起，那么因為存活時間短的對象有很多，那么勢必導致較為頻繁的垃圾回收。而垃圾回收時不得不對所有內存都進行掃描，但其實有一部分對象，它們存活時間很長，對他們進行掃描完全是浪費時間。因此為了提高垃圾回收效率，分區就理所當然了
虛擬機Heap Space的默認配置為： Eden：from ：to = 8:1:1
其實這是 IBM 公司根據大量統計得出的結果。根據 IBM 公司對對象存活時間的統計，他們發現 80% 的對象存活時間都很短。於是他們將 Eden 區設置為年輕代的 80%，這樣可以減少內存空間的浪費，提高內存空間利用率
方法區(Method Area)
方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域,在虛擬機啟動時創建。
它用於存儲已被虛擬機加載的類結構，如：運行時常量池、靜態變量、字段、和方法數據，即時編譯器編譯后的代碼等數據，以及方法和構造函數的代碼
Java虛擬機規范對這個區域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續的內存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，但並非數據進入了方法區就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當苛刻，但是這部分區域的回收確實是有必要的。
根據《Java虛擬機規范的規定》，當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。
方法區在不同版本的虛擬機有不同的表現形式
例如在 1.7 版本的 HotSpot 虛擬機中，方法區被稱為永久代（Permanent Space），而在 JDK 1.8 中則被稱之為 MetaSpace
拓展點
可以看到常量池其實是存放在方法區中的，但《Java 虛擬機規范》將常量池和方法區放在同一個等級上
雖然《Java虛擬機規范》把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。
對於習慣在HotSpot虛擬機上開發和部署程序的開發者來說，很多人願意把方法區稱為“永久代”（Permanent Generation），本質上兩者並不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。
程序計數器(Program Counter Register)
每個Java虛擬機線程都有自己私有獨立的 pc（程序計數器）寄存器。
它的作用可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。
在任何時候，每個Java虛擬機線程都在執行單個方法的代碼，即該線程的當前方法。如果不是該方法 native，則pc寄存器包含當前正在執行的Java虛擬機指令的地址。如果線程當前正在執行native方法，則Java虛擬機pc 寄存器的值為undefined。
此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規范中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域
JVM棧(Java Virtual Machine Stacks)
與程序計數器一樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stack）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同，與線程同時創建。
JVM Stack存儲幀(Stack Frame) [A Java Virtual Machine stack stores frames]
JVM Stack類似於傳統語言的Stack，例如C語言：它保存局部變量和部分結果，並在方法調用和返回中起作用。由於除了推送和彈出幀(Frames)之外，永遠不會直接操作Java虛擬機堆棧（Java Virtual Machine Stack），因此幀(Frames)可以是堆(heap)分配的。Java虛擬機堆棧的內存不需要是連續的。
虛擬機棧(JVM Stacks)描述的是Java方法執行的內存模型：每個方法被執行的時候都會同時創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口以及一些過程結果等信息。每一個方法被調用直至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。
局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等同於對象本身，根據不同的虛擬機實現，它可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址）。
其中64位長度的long和double類型的數據會占用2個局部變量空間（Slot），其余的數據類型只占用1個。局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。
在Java虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機棧可以動態擴展（當前大部分的Java虛擬機都可動態擴展，只不過Java虛擬機規范中也允許固定長度的虛擬機棧），當擴展時無法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError異常。
本地方法棧（Native Method Stacks）
本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native方法服務。虛擬機規范中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數據結構並沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由實現它。甚至有的虛擬機（譬如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。