2020-05-19—JVM 内存结构

一、内存结构

为什么要了解虚拟机

    JVM 不单单只支持 Java 语言，也支持其他语言（Scala、Kotlin、Groovy 等等） 区块链 2.0–以太坊(比特币是区块链 1.0) 中提供了 EVM 的虚拟机，它的实现和 JVM 类似，基于栈、生成脚本编译成字节码来执行。

虚拟机历史

    解释执行和编译执行（针对字节码的执行） 解释执行就是边翻译为机器码边执行、即时编译（编译执行）就是先将一个方法中的所有字节码全部编译成机器码之后再执行。 Hotspot 采用的是先解释执行，到了一定时机后热点代码（多次执行、循环等）再翻译成机器码 热点代码探测技术（通过执行计数器找到最有编译价值的代码，如果代码用得非常频繁，就会把这些代码编译成本地代码）。 JRockit 采取的方法是在执行 class 时直接编译为机器码（Java 程序启动速度会比较慢） J9 和 Hotspot 比较接近，主要是用在 IBM 产品（IBM WebSphere 和 IBM 的 AIX 平台上），华为有的项目用的 J9。 谷歌：Google Android Dalivk VM：使用的寄存器架构，执行 dex（Dalvik Executable）通过 class 转化而来。

未来的 Java 技术

模块化:OSGI（动态化、模块化），应用层面就是微服务，互联网的发展方向。
混合语言：多个语言都可以运行在 JVM 中，google 的 Kotlin 成为了 Android 的官方语言。
Scala(Kafka) 多核并行：CPU 从高频次转变为多核心，多核时代。JDK1.7 引入了 Fork/Join，JDK1.8 提出 lambda 表达式(函数式编程天生适合并行运 行) 。
丰富语法：JDK5 提出自动装箱、泛型(并发编程讲到)、动态注解等语法。JDK7 二进制原生支持。try-catch-finally 至 try-with-resource 。
64 位：虽然同样的程序 64 位内存消耗比 32 位要多一点，但是支持内存大，所以虚拟机都会完全过渡到 64 位，32 位的 JVM 有 4G 的 堆大小限制（寻址范围 2 的 32 次方）。
更强的垃圾回收器（现在主流 CMS、G1）：JDK11 –ZGC（暂停时间不超过 10 毫秒，且不会随着堆的增加而增加，TB 级别的堆回收））： 有色指针、加载屏障。JDK12 支持并发类卸载，进一步缩短暂停时间 JDK13(计划于 2019 年 9 月)将最大堆大小从 4TB 增加到 16TB。

Java SE 体系架构

    JavaSE，Java 平台标准版，为 Java EE 和 Java ME 提供了基础。
    JDK：Java 开发工具包，JDK 是 JRE 的超集，包含 JRE 中的所有内容，以及开发程序所需的编译器和调试程序等工具。
    JRE：Java SE 运行时环境 ，提供库、Java 虚拟机和其他组件来运行用 Java 编程语言编写的程序。主要类库，包括：程序部署发布、用 户界面工具类、继承库、其他基础库，语言和工具基础库
    JVM：java 虚拟机，负责 JavaSE 平台的硬件和操作系统无关性、编译执行代码（字节码）和平台安全性

运行时数据区域

    这个是抽象概念，内部实现依赖寄存器、高速缓存、主内存（具体要分析 JVM 源码 C++语言实现，没必要看） 计算机的运行=指令+数据，指令用于执行方法的，数据用于存放数据和对象的。

    虚拟机栈—-执行 java 方法、本地方法栈—执行本地方法、程序计数器—程序执行的计数器 Java 中的数据：变量、常量、对象、数组相关。

线程私有

程序计数器

    较小的内存空间，当前线程执行的字节码的行号指示器；各线程之间独立存储，互不影响（面试可能问到为什么需要）
如果线程正在执行的是一个 Java 方法，则指明当前线程执行的代字节码行数 如果正在执行的是 Natvie 方法，这个计数器值则为空（Undefined）。
此内存区域是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 情况的区域。
虚拟机栈（JVM 后续的执行子程序有详细的见解）

栈

数据结构的特点和 java 中方法中调用方法的特性一致。（为什么 JVM 使用栈 –演示代码 StackFilo）

虚拟机栈：

异常：

线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度：StackOverflowError

JVM 动态扩展时无法申请到足够的内存时：OutOfMemoryError

虚拟机栈：

每个线程私有的，线程在运行时，在执行每个方法的时候都会打包成一个栈帧，存储了局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息，然后放入

栈。每个时刻正在执行的当前方法就是虚拟机栈顶的栈桢。方法的执行就对应着栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈的过程。

栈的大小缺省为 1M，可用参数 –Xss 调整大小，例如-Xss256k

在编译程序代码的时候，栈帧中需要多大的局部变量表，多深的操作数栈都已经完全确定了，并且写入到方法表的 Code 属性之中，因此一个栈帧需要分

配多少内存，不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于具体的虚拟机实现。

局部变量表: 顾名思义就是局部变量的表，用于存放我们的局部变量的。首先它是一个 32 位的长度，主要存放我们的 Java 的八大基础数据类型，一般 32

位就可以存放下，如果是 64 位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的 Object 对象，我们只需要存放它的一个引用

地址即可。（基本数据类型、对象引用、returnAddress 类型）

操作数据栈：存放我们方法执行的操作数的，它就是一个栈，先进后出的栈结构，操作数栈，就是用来操作的，操作的的元素可以是任意的 java 数据类

型，所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的，操作数栈运行方法是会一直运行入栈/出栈的操作

动态连接：Java 语言特性多态（需要类加载、运行时才能确定具体的方法，后续有详细的讲解）

返回地址：

正常返回：（调用程序计数器中的地址作为返回）

三步曲：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈、

把返回值（如果有的话）压入调用者栈帧的操作数栈中、

调整 PC 计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令、

异常的话：（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定）

本地方法栈

各虚拟机自由实现，本地方法栈 native 方法调用 JNI 到了底层的 C/C++(c/c++可以触发汇编语言，然后驱动硬件)

线程共享的区域

方法区/永久代

用于存储已经被虚拟机加载的类信息，常量(“zdy”,”123”等)，静态变量(static 变量)等数据，可用以下参数调整：
jdk1.7 及以前：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；
jdk1.8 以后：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize
jdk1.8 以后大小就只受本机总内存的限制
如：-XX:MaxMetaspaceSize=3M
**类信息： **
类的完整有效名、返回值类型、修饰符（public，private…）、变量名、方法名、方法代码、这个类型直接父类的完整有效名(除非这个类型是 interface 或是 java.lang.Object，两种情况下都没有父类)、类的直接接口的一个有序列表。

堆

几乎所有对象都分配在这里，也是垃圾回收发生的主要区域，可用以下参数调整：
-Xms：堆的最小值；
-Xmx：堆的最大值；
-Xmn：新生代的大小；
-XX:NewSize；新生代最小值；
-XX:MaxNewSize：新生代最大值；
例如- Xmx256m

运行时常量池

符号引用（一个概念）
一个 java 类（假设为 People 类）被编译成一个 class 文件时，如果 People 类引用了 Tool 类，但是在编译时 People 类并不知道引用类的实际内存地址，因此只能使用符号引用来代替。 而在类装载器装载 People 类时，此时可以通过虚拟机获取 Tool 类的实际内存地址，因此便可以既将符号 org.simple.Tool 替换为 Tool 类的实际内存地址， 及直接引用地址。
即在编译时用符号引用来代替引用类，在加载时再通过虚拟机获取该引用类的实际地址. 以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局是无关的， 引用的目标不一定已经加载到内存中。

字面量
文本字符串 String a = “abc”,这个 abc 就是字面量
八种基本类型 int a = 1; 这个 1 就是字面量
声明为 final 的常量 。

常量池的变化
各版本之间的变化
运行时常量池
Class 文件中的常量池（编译器生成的各种字面量和符号引用）会在类加载后被放入这个区域。
符号引用:
字面量：String a =“aaaa”
JDK1.6
运行时常量池在方法区中
JDK1.7
运行时常量池在堆中
JDK1.8
去永久代：使用元空间(空间大小只受制于机器的内存)替代永久代
久代参数 -XX:PermSize；-XX:MaxPermSize =100M 超过100M OOM（）
元空间参数 -XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize
永久代来存储类信息、常量、静态变量等数据不是个好主意, 很容易遇到内存溢出的问题。
对永久代进行调优是很困难的,同时将元空间与堆的垃圾回收进行了隔离，避免永久代引发的Full GC和OOM等问题；

直接内存
使用 Native 函数库直接分配堆外内存(NIO) 并不是 JVM 运行时数据区域的一部分，但是会被频繁使用(可以通过-XX:MaxDirectMemorySize 来设置（不设置的话默认与堆内存最大值 一样,也会出现 OOM 异常) 使用直接内存避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据，能够提高效率 测试用例 JavaStack：设置 JVM 参数-Xmx100m，运行异常，因为如果没设置-XX:MaxDirectMemorySize，则默认与-Xmx 参数值相同为 100M， 分配 128M 直接内存超出限制范围

站在线程角度来看
虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器三个区域的生命周期和线程相同。
线程共享区域：设计到生命周期管理和垃圾回收等概念，后续章节有细讲。

深入辨析堆和栈

` 功能

 以栈帧的方式存储方法调用的过程，并存储方法调用过程中基本数据类型的变量（int、short、long、byte、float、

double、boolean、char 等）以及对象的引用变量（reference），其内存分配在栈上，变量出了作用域就会自

动释放；

 而堆内存用来存储 Java 中的对象。无论是成员变量，局部变量，还是类变量，它们指向的对象都存储在堆内

存中；

` 线程独享还是共享

 栈内存归属于单个线程，每个线程都会有一个栈内存，其存储的变量只能在其所属线程中可见，即栈内存可

以理解成线程的私有内存。 堆内存中的对象对所有线程可见。堆内存中的对象可以被所有线程访问。

` 空间大小
栈的内存要远远小于堆内存

栈溢出

参数：-Xss256k
java.lang.StackOverflowError 一般的方法调用是很难出现的，如果出现了可能会是无限递归。
虚拟机栈带给我们的启示：方法的执行因为要打包成栈桢，所以天生要比实现同样功能的循环慢，所以树的遍历算 法中：递归和非递归(循环来实现)都有存在的意义。递归代码简洁，非递归代码复杂但是速度较快。
OutOfMemoryError：不断建立线程。（一般演示不出，演示出来机器也死了）