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JVM 运行时数据区
概述
JVM在程序执行期间把它所管理的内存分为若干个不同的数据区域。
JVM运行时数据区也被称为内存结构，主要有五部分组成：
- Native Method Stack（本地方法栈）
- Program Counter Register（程序计数器）
- Java Virtual Machine Stack（虚拟机栈）
- 以栈帧为基本单位构成
- 栈帧包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些附加信息
- Heap（堆区）
- 分为Young区（新生代）、Old区（老年代）
- Method Area（方法区）
- 分为常量池、方法元信息、klass类元信息
这些不同的数据区域可以分为两种类型：一种是在JVM启动时创建，仅在JVM退出时才被销毁，这种可以理解为线程共享的，另外一种数据区是针对每个线程的，是在创建线程时创建的，并在线程退出时销毁，这种可以理解为线程私有的。
- 线程私有的区域：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。
- 线程间共享区域：堆区、方法区。
内存结构图
程序计数器
- 程序计数器（Program Counter Register）：一块较小的内存空间，记录字节码指令的地址，也就是代码的执行流程。
- 程序计数器用于存储下一条指令的地址，也就是将要执行的指令代码。当执行引擎执行一条指令时，它会将下一条要执行的指令的地址加载到程序计数器中。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。
- Java是多线程语言，CPU需要不断切换各个线程，因此需要用程序计数器记录字节码指令地址。
- 线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。
- 不会发生OOM。
虚拟机栈
-
Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）：
- 每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部由许多栈帧(Stack Frame)构成，每个栈帧对应着一个Java方法的调用。
- 先进后出的数据结构，只支持出栈和入栈两种操作。
- 线程私有的，虚拟机栈的生命周期和线程一致。
-
栈帧（Stack Frame）：
- 每个方法被执行时，JVM会同步创建一个栈帧。每个方法从被调用到执行完毕的过程，对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
- 位于栈顶的方法称为当前方法。
- 栈帧的组成：
- 局部变量表（Local Variable Table）：存储方法参数和方法内部定义的局部变量。
- 操作数栈（Operand Stack）：栈结构，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。
- 动态链接（Dynamic Linking）：将符号引用转换为直接引用。
- 返回地址（Return Address）：指向调用该方法之后的下一条指令。
内存溢出问题：
- 栈帧过多导致内存溢出，JVM会抛出 StackOverflowError 异常，如方法递归调用。
- 栈帧过大导致内存溢出，JVM会抛出 OutOfMemoryError 异常。
局部变量表
- 局部变量表也称为本地变量表或局部变量数组。
- 主要用于存储方法参数和方法体内的局部变量。包含基本数据类型、对象引用、returnAddress类型。
- 基本数据类型，直接存储它的值。
- 引用类型，存储对象的引用。
- 是线程私有的。
- 局部变量表的容量大小在编译期确定的。
- 方法调用结束后，栈帧会被销毁，局部变量表也会跟着销毁。
可以通过 jclasslib 插件查看字节码信息：
成员方法：
public void sayHello(int param) {
String text = "hhh";
System.out.println(text + age);
}
说明：局部变量表里有3个局部变量，包含this对象、方法里的参数和text局部变量。
静态方法：
public static void sayHi(int[] args) {
String hi = "hihhii";
System.out.println(hi);
}
说明：局部变量表里有2个局部变量，没有了this对象。
操作数栈
- 栈结构。
- 主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。
- 当一个方法开始执行时，一个新的栈帧会被创建，这个方法的操作数栈是空的。
代码：
public int work() {
int x = 1;
int y = 2;
int z = (x + y) * 10;
return z;
}
字节码指令分析：
0 iconst_1 将int类型1入操作数栈
1 istore_1 将操作数栈中栈顶int类型值，存入局部变量表
2 iconst_2 将int类型2入操作数栈
3 istore_2 将操作数栈中栈顶int类型值，存入局部变量表
4 iload_1 将局部变量表中下标为1的int类型数据入栈
5 iload_2 将局部变量表中下标为2的int类型数据入栈
6 iadd 两数相加，将计算结果入操作数栈
7 bipush 10 将10的压入操作数栈
9 imul 两数相乘，将结果压入操作数栈
10 istore_3 将操作数栈中栈顶int类型值，存入局部变量表
11 iload_3 将局部变量表中下标为3的int类型值入栈
12 ireturn 返回栈顶值
动态链接
- 每一个栈帧都包含一个指向运行时常量池的该帧所属方法的引用。
- Java源文件被编译为字节码文件时，所有的变量和方法都会作为符号引用保存在class文件中的常量池里。
- 动态链接的目的是在JVM加载字节码文件时，将类数据加载到内存中，当前栈帧能清楚记录该方法的来源。将字节码中的符号引用转换为调用方法的直接引用，直接引用就是程序运行时该方法在内存中的具体地址。
代码：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Person p = new Person();
p.sayHello();
}
}
字节码指令：
0 new #2 <com/example/java_demo/Person>
3 dup
4 invokespecial #3 <com/example/java_demo/Person.<init> : ()V>
7 astore_1
8 aload_1
9 invokevirtual #4 <com/example/java_demo/Person.sayHello : ()V>
12 return
说明：#2 指向方法区中的类信息。
静态链接和动态链接
在JVM中，将符号引用转换为符号引用，与方法的绑定机制相关。方法的绑定机制有两种：
- 静态链接。
- 动态链接。
静态链接：当一个字节码文件被JVM加载时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行期保存不变。这时将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称为静态链接。
动态链接：如果被调用的方法在编译期无法确定下来，只能在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用。由于这种转换过程具有动态性，因此称为动态连接。
class Animal {
public void eat() {
System.out.println("吃");
}
}
interface IFunctions {
void run();
}
class Dog extends Animal implements IFunctions {
@Override
public void eat() {
System.out.println("吃骨头");
}
@Override
public void run() {
System.out.println("看门");
}
}
class Cat extends Animal implements IFunctions {
public Cat() {
super(); // 静态链接
}
public Cat(String name) {
this(); // 静态链接
}
@Override
public void eat() {
super.eat(); // 静态链接
System.out.println("吃鱼");
}
@Override
public void run() {
System.out.println("抓老鼠");
}
}
class Test {
public void showAnimal(Animal animal) {
animal.eat(); // 动态链接
}
public void showRun(IFunctions f) {
f.run(); // /动态链接
}
}
说明：showAnimal() 和 showRun() 方法无法在编译期确定，因此这两个方法是动态链接。
虚方法和非虚方法
静态链接指方法在编译期就确定了，称为非虚方法。其他就是虚方法。
非虚方法包含：静态方法、私有方法、final方法、构造函数、父类方法。
方法调用指令：
- invokestatic：调用静态方法。
- invokespecial：调用init方法、私有和父类方法。
- invokevirtual：调用所有虚方法。
- invokeinterface：调用接口方法。
- invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行。
普通调用指令：1~4条。
动态调用指令：第5条。
非虚方法：invokestatic、invokespecial。
虚方法：除final外，其他都是。
返回地址
- 调用该方法的程序计数器的值，这个返回地址指向调用该方法之后的下一条指令。
- 方法的结束分两种情况：
- 正常执行完。
- 异常非正常结束。
- 方法正常退出时，程序计数器的值作为返回地址，也就是该方法的指令单下一条指令单地址。
- 方法异常退出时，返回地址是通过异常表确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息。
- 无论哪种方式退出，方法结束后都会返回到该方法调用的位置。
正常退出
返回指令：
- ireturn：boolean、byte、char、short、int
- lreturn：long
- freturn：float
- dreturn：double
- areturn：引用类型
- return：void方法，实例初始化方法、类和接口初始化方法
代码：
class MyReturn {
public boolean methodBoolean() {
return false;
}
public byte methodByte() {
return 0;
}
public short methodShort() {
return 0;
}
public char methodChar() {
return 'a';
}
public int methodInt() {
return 0;
}
public long methodLong() {
return 0L;
}
public float methodFloat() {
return 0.0F;
}
public double methodDouble() {
return 0.00;
}
public String methodString() {
return null;
}
public Date methodDate() {
return null;
}
public void methodVoid() {
}
static {
int i = 10;
}
}
字节码：
com.example.lib_test.MyReturn();
descriptor: ()V
flags: (0x0000)
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 6: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public boolean methodBoolean();
descriptor: ()Z
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: iconst_0
1: ireturn
LineNumberTable:
line 9: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 2 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public byte methodByte();
descriptor: ()B
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: iconst_0
1: ireturn
LineNumberTable:
line 13: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 2 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public short methodShort();
descriptor: ()S
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: iconst_0
1: ireturn
LineNumberTable:
line 17: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 2 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public char methodChar();
descriptor: ()C
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: bipush 97
2: ireturn
LineNumberTable:
line 21: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 3 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public int methodInt();
descriptor: ()I
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: iconst_0
1: ireturn
LineNumberTable:
line 25: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 2 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public long methodLong();
descriptor: ()J
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: lconst_0
1: lreturn
LineNumberTable:
line 29: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 2 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public float methodFloat();
descriptor: ()F
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: fconst_0
1: freturn
LineNumberTable:
line 33: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 2 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public double methodDouble();
descriptor: ()D
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: dconst_0
1: dreturn
LineNumberTable:
line 37: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 2 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public java.lang.String methodString();
descriptor: ()Ljava/lang/String;
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aconst_null
1: areturn
LineNumberTable:
line 41: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 2 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public java.util.Date methodDate();
descriptor: ()Ljava/util/Date;
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aconst_null
1: areturn
LineNumberTable:
line 45: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 2 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
public void methodVoid();
descriptor: ()V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=0, locals=1, args_size=1
0: return
LineNumberTable:
line 50: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 1 0 this Lcom/example/lib_test/MyReturn;
static {};
descriptor: ()V
flags: (0x0008) ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=0
0: bipush 10
2: istore_0
3: return
LineNumberTable:
line 53: 0
line 54: 3
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
}
异常退出
方法执行过程中遇到异常：
- 没有使用try-catch/try-finally：也就是该方法的异常表没有搜索到匹配的异常处理器，会导致方法退出。
- 使用try-catch/try-finally：进行异常处理。
本地方法接口
- 本地方法接口（Java Native Interface，JNI）：负责和本地方法库、JVM之间的交互。
- JNI 可以帮助 Java 代码与使用其他编程语言（例如C、C++和汇编）编写的应用程序和库进行交互。
- JNI 最重要的好处是它对底层 JVM 的实现没有任何限制。
- 本地方法用 native 修饰，并且没有方法体，具体的方法体由非Java代码实现。
本地方法栈
- 本地方法栈（Native Method Stack）：用于支持本地方法的执行，一般由C语言实现。
- 本地方法栈与Java虚拟机栈的作用类似，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。
- 线程私有的。
- 会抛出OOM和StackOverFlowError
堆
- 堆（Heap）：是Java内存管理的核心区域。
- 堆在JVM启动时被创建，空间大小也随之被确定，是JVM管理的最大一块内存空间，其大小是可以根据参数调节的。
- 物理上不连续，逻辑上视为连续的。
- 存放所有类实例和数组对象。
- 线程共享的。
堆内存溢出问题：
- 堆内存不足时虚拟机会抛出 OutOfMemoryError 异常。
堆与栈关系：
- 堆中存放对象实例。
- 栈帧中存放对象引用，引用指向实例在堆中的位置。
Java对象可分为两类：
- 生命周期较短的对象：创建和消亡都非常迅速，一般放在新生代。
- 生命周期较长的对象：会进入老年代。
堆空间划分：
方法结束后，堆中的对象不会被立即移除，而是在垃圾收集时才会被移除。
- 新生代（Young Generation Space / Young / New）可分为：占堆内存1/3
- Eden区：占新生代8/10
- Survivor区：
- Survivor0区：可称为From区或S0区，占新生代区1/10
- Survivor1区：可称为To区或S1区，占新生代区1/10
- 老年代（Tenured Generation Space / Old / Tenured）：占堆内存2/3
对象分配过程：
- new的对象先放在Eden区。
- 如果Eden区空间满了，程序创建对象时，JVM会对Eden区进行垃圾回收，Eden区的垃圾对象会被销毁，将新对象放入Eden区。
- Eden区的剩余对象移动到S0区，S0区的对象有一个年龄计数器，值为1。
- 如果再次触发垃圾回收，GC会对Eden区和S0区进行垃圾回收，没有回收的对象移动到S1区，从S0区移动来的对象的年龄计数器变为2，从Eden区移动来的对象的年龄计数器为1。
- 如果再次发生垃圾回收，存活的对象会被移动到S0，年龄计数器加1，循环这类操作。
- 当年龄计数器的值超过15，对象会进入老年代。
- 老年代内存相对较大，当老年代内存不足时，会触发GC，可能发生 Major GC 或 Full GC，对老年代进行内存清理。
- 如果老年代执行了 Major GC 依然内存不足，就会产生OOM异常。
方法区
- 方法区（Method Area）：存储类的结构信息。
- 存储被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等方法区在虚拟机启动时创建。
- 线程共享的。
栈、堆和方法区关系：
Student student = new Student();
JVM会将Student类加载到方法区，将student变量放到虚拟机栈中，new的对象实例放在堆中。
方法区版本变化：
- JDK1.6及以前：有永久代，静态变量存放在永久代。
- JDK1.7：有永久代，但逐步“去永久代”，字符串常量池、静态变量保存在堆中。
- JDK1.8及以后：用元空间替代了永久代，元空间用的本地内存。类型信息、字段、方法、常量保存在元空间，字符串常量池、静态变量保存在堆中。
其他问题
成员变量 & 局部变量
- 成员变量存放在堆内存，是对象实例的一部分。
- 局部变量存放在虚拟机栈的栈帧中的局部变量表。
字面量 & 符号引用 & 直接引用
字面量：
- 字符串
- final定义的常量值
符号引用：指一组符号描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在“Java虚拟机规范”的Class文件格式中。
- 类和接口的全限定名
- 字段的名称和描述符
- 方法的名称和描述符
直接引用：指直接指向目标的指针、相对偏移量或要给间接定位到目标的句柄。类加载时会将符号引用转为直接引用。
垃圾回收是否涉及栈内存
垃圾回收不会涉及栈内存，因为栈内存是一次次的方法调用产生的栈帧内存，方法调用结束后，虚拟机栈会做出栈操作，自动回收内存。垃圾回收只会回收堆内存中无用的对象。
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