JVM系列之JVM内存结构

• 1、运行时数据区
• 2、程序计数器

• 2.1、使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？
• 2.2、PC寄存器为什么会被设定为线程私有的？
• 2.3、总结

• 3、虚拟机栈

• 3.1、栈的存储单位
• 3.2、栈运行原理
• 3.3、 栈帧的内部结构

• 4、本地方法栈（Native Method Stack）
• 5、堆内存

• 5.1、内存划分
• 5.2、对象在堆中的生命周期
• 5.3、对象的分配过程
• 5.4、GC 垃圾回收简介

• 6、方法区

• 6.1、方法区内部结构

• 7、往期佳文

• 7.1、面试系列
• 7.2、技术系列
• 7.3、源码系列
• 7.4、数据结构和算法系列
• 7.5、并发系列
• 7.6、面试题系列
• 7.7、JVM系列

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2.1、使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？

       答：因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

2.2、PC寄存器为什么会被设定为线程私有的？

       答：多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程方法，CPU会不停的做任务切换，这样必然会导致经常中断或恢复。为了能够准确的记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，所以为每个线程都分配了一个PC寄存器，每个线程都独立计算，不会互相影响。

2.3、总结

1. 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不计。也是运行速度最快的存储区域
2. 在 JVM 规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期一致
3. 任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。如果当前线程正在执行的是 Java 方法，程序计数器记录的是 JVM 字节码指令地址，如果是执行 native 方法，则是未指定值（undefined）
4. 它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令
5. 它是唯一一个在 JVM 规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域

       Java 虚拟机栈，这个栈与线程同时创建，用来存储栈帧，即存储局部变量与一些过程结果的地方。栈帧存储的数据包括：局部变量表、操作数栈。
       作用： 主管 Java 程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。

              1. 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器
              2. JVM 直接对虚拟机栈的操作只有两个：每个方法执行，伴随着入栈（进栈/压栈），方法执行结束出栈
              3. 栈不存在垃圾回收问题
       栈中可能出现的异常：
              1. Java 虚拟机规范允许 Java虚拟机栈的大小是动态的或者是固定不变的
              2.如果采用固定大小的 Java 虚拟机栈，那每个线程的 Java 虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过 Java 虚拟机栈允许的最大容量，Java 虚拟机将会抛出一个 StackOverflowError 异常
              3.如果 Java 虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那 Java 虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常

3.1、栈的存储单位

1. 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在
2. 在这个线程上正在执行的每个方法都各自有对应的一个栈帧
3. 栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息

3.2、栈运行原理

1. JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个，对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进后出/后进先出”原则
2. 在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧（Current Frame），与当前栈帧对应的方法就是当前方法（Current Method），定义这个方法的类就是当前类（Current Class）
3. 执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作
4. 如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，称为新的当前栈帧
5. 不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧中引用另外一个线程的栈帧
6. 如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧
7. Java 方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用 return 指令，另一种是抛出异常，不管用哪种方式，都会导致栈帧被弹出

3.3、 栈帧的内部结构

1. 局部变量表（Local Variables）
2. 操作数栈（Operand Stack）(或称为表达式栈)
3. 动态链接（Dynamic Linking）：指向运行时常量池的方法引用
4. 方法返回地址（Return Address）：方法正常退出或异常退出的地址
5. 一些附加信息

1. Java 虚拟机栈用于管理 Java 方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用
2. 本地方法栈也是线程私有的
3. 允许线程固定或者可动态扩展的内存大小
4. 如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量，Java 虚拟机将会抛出一个StackOverflowError 异常
5. 如果本地方法栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈，那么 Java虚拟机将会抛出一个OutofMemoryError异常
6. 本地方法是使用 C 语言实现的
7. 它的具体做法是 Mative Method Stack 中登记 native 方法，在 Execution Engine 执行时加载本地方法库当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。
8. 本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区，它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器，直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存
9. 并不是所有 JVM 都支持本地方法。因为 Java 虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果 JVM 产品不打算支持 native 方法，也可以无需实现本地方法栈
10. 在 Hotspot JVM 中，直接将本地方栈和虚拟机栈合二为一

       栈是运行时的单位，而堆是存储的单位： 栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪。

5.1、内存划分

       对于大多数应用，Java 堆是 Java 虚拟机管理的内存中最大的一块，被所有线程共享。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数据都在这里分配内存。为了进行高效的垃圾回收，虚拟机把堆内存逻辑上划分成三块区域（分代的唯一理由就是优化 GC 性能）：

1. 新生带（年轻代）：新对象和没达到一定年龄的对象都在新生代
2. 老年代（养老区）：被长时间使用的对象，老年代的内存空间应该要比年轻代更大
3. 元空间（JDK1.8 之前叫永久代）：像一些方法中的操作临时对象等，JDK1.8 之前是占用 JVM 内存，JDK1.8 之后直接使用物理内存

5.2、对象在堆中的生命周期

1. 在 JVM 内存模型的堆中，堆被划分为新生代和老年代，新生代又被进一步划分为 Eden区 和 Survivor区，Survivor 区由 From Survivor 和 To Survivor 组成
2. 当创建一个对象时，对象会被优先分配到新生代的 Eden 区，此时 JVM 会给对象定义一个对象年轻计数器（-XX:MaxTenuringThreshold）
3. 当 Eden 空间不足时，JVM 将执行新生代的垃圾回收（Minor GC），JVM 会把存活的对象转移到 Survivor 中，并且对象年龄 +1 对象在 Survivor 中同样也会经历 Minor GC，每经历一次 Minor GC，对象年龄都会+1
4. 如果分配的对象超过了-XX:PetenureSizeThreshold，对象会直接被分配到老年代

5.3、对象的分配过程

       为对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务，JVM 的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里分配等问题，并且由于内存分配算法和内存回收算法密切相关，所以还需要考虑 GC 执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片。

1. new 的对象先放在伊甸园区，此区有大小限制
2. 当伊甸园的空间填满时，程序又需要创建对象，JVM 的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（Minor GC），将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。再加载新的对象放到伊甸园区
3. 然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者 0 区
4. 如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到幸存者 0 区，如果没有回收，就会放到幸存者 1 区
5. 如果再次经历垃圾回收，此时会重新放回幸存者 0 区，接着再去幸存者 1 区
6. 什么时候才会去养老区呢？ 默认是 15 次回收标记
7. 在养老区，相对悠闲。当养老区内存不足时，再次触发 Major GC，进行养老区的内存清理
8. 若养老区执行了 Major GC 之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生 OOM 异常

5.4、GC 垃圾回收简介

       JVM 在进行 GC 时，并非每次都对堆内存（新生代、老年代；方法区）区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。
       针对 HotSpot VM 的实现，它里面的 GC 按照回收区域又分为两大类：部分收集（Partial GC），整堆收集（Full GC） 部分收集：不是完整收集整个 Java 堆的垃圾收集。其中又分为：
              新生代收集（Minor GC/Young GC）：只是新生代的垃圾收集
              老年代收集（Major GC/Old GC）：只是老年代的垃圾收集
                     目前，只有 CMS GC 会有单独收集老年代的行为
                     很多时候 Major GC 会和 Full GC 混合使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收
              混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集
                     目前只有 G1 GC 会有这种行为
              整堆收集（Full GC）：收集整个 Java 堆和方法区的垃圾

1. 方法区（Method Area）与 Java 堆一样，是所有线程共享的内存区域。
2. 虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开。
3. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本/字段/方法/接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将类在加载后进入方法区的运行时常量池中存放。运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的是 String.intern()方法。受方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。
4. 方法区的大小和堆空间一样，可以选择固定大小也可选择可扩展，方法区的大小决定了系统可以放多少个类，如果系统类太多，导致方法区溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出错误
5. JVM 关闭后方法区即被释放

6.1、方法区内部结构