理论修炼---JVM之内存结构

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文章目录

• 前言
• 一、程序计数器（PC寄存器）
• • 程序计数器的作用
  • • 程序计数器的特点
• 二、Java虚拟机栈
• • 定义
  • • 压栈和出栈过程
    • 局部变量表
    • 操作数栈
    • 方法的调用
    • • 静态链接
      • 动态链接
      • 方法绑定
    • Java 虚拟机栈的特点
  • 三、本地方法栈
  • 四、堆
  • • 堆的特点
    • 新生代于老年代
    • 对象的分配过程
    • Minor GC、Major GC、Full GC的区别
    • • 定义
      • 触发机制
    • 逃逸分析
    • TLAB（Thread local allocation buffer）
    • 四种引用方式
  • 方法区
  • • 方法区定义
    • 方法区特点
    • 运行时常量池
• 总结

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前言

文章为温习Java虚拟机所作笔记。

Java虚拟机的内存空间分为五部分：

1. 程序计数器
2. Java虚拟机栈
3. 本地方法栈
4. 堆
5. 方法区

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一、程序计数器（PC寄存器）

  程序计数器是一块较小的内存空间，是存储当前线程所执行的字节码指令地址，如果线程执行的是本地方法（C/C++方法）那么程序计数器为未定义

程序计数器的作用

1. 能够让字节码解释器改变程序计数器来依次读取指令，也就是代码的流程控制。
2. 在多线程的情况下，程序计数器就是记录当前线程执行的位置（可以理解为执行到哪个方法了），假设当前线程为A,那么当从线程B切换回A时，现在A就可以通过程序计数器知道上次执行到哪里了。

程序计数器的特点

1. 是一块较小的内存空间；
2. 生命周期：随着线程创建而创建，随着线程销毁而销毁；
3. 线程私有，每个线程都有一个程序计数器；
4. 唯一一个不会出现OutOfMemoryError错误的内存空间。

二、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈是描述Java方法运行过程的内存模型

定义

会每一个即将运行的方法创建一个栈帧区域，用于存放方法运行过程中的一些信息，如：

1. 局部变量表；
2. 操作数栈；
3. 动态链接；
4. 方法出口信息等。

压栈和出栈过程

1. 在方法执行过着需要创建局部变量时，将局部变量存入栈中局部变量表中。
2. Java虚拟机栈的栈顶的栈帧是正在执行的活动栈帧，也就是当前执行的方法，PC寄存器也会指向这个地址，只有活动栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，如果活动栈帧中调用另一个方法，那么与之对于的栈帧会被创建并被压入栈中（栈顶），成为新的活动栈。
3. 方法结束这个栈被移出，这个栈帧的返回值会变成新活动栈中操作数栈的一个操作数，如果栈帧没有返回值则，新的活动栈中操作数栈的操作数没有变化

局部变量表

  局部变量表被定义为一个数组，主要存储方法的参数，对象的引用，定义在方法体内部的局部变量，各类基本数据类型，和返回地址类型
局部变量表的大小是在编译器确定下来的，基本储存单元是slot,32位占用一个，62位占用两个，

1. Java虚拟机栈会为每个slot分配一个索引，通过所以可以访问到局部变量表中指定的局部变量值；
2. 如果栈帧是一个实例方法或构造方法，那么局部变量表中索引为0的slot会存放这个对象的this地址，其他参数按顺序存放
3. 局部变量表是可以复用的，如果一个局部变量过了作用域，那么新的局部变量会用这个slot,目的就是节省资源
4. 在栈帧中与性能调优最密切相关的就是局部变量表，局部变量是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量直接或间接引用的对象都不会被回收

操作数栈

操作数组是存储在内存中的，频繁存储读写会影响性能，他会有一个明确的深度在编译器就会被确定，详细了解可以自行百度

方法的调用

主要由以下三个点组成：

静态链接

  字节码文件被加载进jvm内部的时候，如果被调用的方法在编译器可以知道，并且被调用方法在运行的时候不变，就可以将调用方的符号引用改为直接引用的过程称为静态链接，因为他是不变的

动态链接

  如上，字节码文件被加载进jvm内部的时候，被调用的方法没办法在编译器知道，只能在运行时将调用方的符号引用改为直接引用的过程叫动态链接，因为运行时才知道这个过程是动态的

方法绑定

• 早期绑定
  被调用目标方法在编译器可知，且运行不变。静态链接属于这类
• 晚期绑定
  被调用的目标方法在编译器不可知，只能在运行时根据实际类型绑定相关方法，动态链接属于这类

Java 虚拟机栈的特点

• 运行速度非常快仅次于PC寄存器
• 局部变量表随着栈帧的创建而创建，在编译器确定大小，创建时只需要分配在编译器确定的大小即可，在方法运行过程中局部变量表的大小不会改变
• Java虚拟机栈有两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
  StackOverFlowError ：若Java虚拟机大小不允许动态拓展，则当前线程请求的深度超过当前Java虚拟机栈的最大深度时，抛出这个异常，不停递归或调用方法超过Java虚拟机栈规定的深度会抛出该异常。
  OutOfMemoryError ：若运行动态拓展，当前线程请求栈内存用完了，无法在动态拓展就会抛出OutOfMemoryError 异常。
   不允许动态拓展时超过Java虚拟机栈最大深度就会抛出StackOverFlowError 异常，允许动态拓展但当前线程分配的栈内存用完了会抛出OutOfMemoryError 异常。
• Java虚拟机栈是线程私有的，随着线程创建而创建，线程结束而销毁。
• 出现StackOverFlowError 异常时，内存可能还有很多，因为只是超过虚拟机栈规定深度而不一定是内存不足。

常见的运行时异常有：

• NullPointerException - 空指针引用异常
• ClassCastException - 类型强制转换异
• IllegalArgumentException - 传递非法参数异常
• ArithmeticException - 算术运算异常
• ArrayStoreException - 向数组中存放与声明类型不兼容对象异常
• IndexOutOfBoundsException - 下标越界异常
• NegativeArraySizeException - 创建一个大小为负数的数组错误异常
• NumberFormatException - 数字格式异常
• SecurityException - 安全异常
• UnsupportedOperationException - 不支持的操作异常

三、本地方法栈

 本地方法栈是JVM为执行本地方法准备的空间，由于很多Native方法都是由C语言实现的，通常又叫C栈，它于Java虚拟机栈实现的功能类似，只不过是描述本地方法运行过程的内存模型。
 本地方法执行，也会在本地方法栈创建一块栈帧，用于存放该方法的局部变量、操作数栈、动态链接、静态链接、方法出口信息等，方法执行结束后相应的方法也会出栈，并释放内存空间，也会抛出StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError异常。

四、堆

堆是用来存放对象的，几乎所有的对象都存在堆中。

堆的特点

• 线程共享的，整个Java虚拟机只有一个堆，所有线程都访问同一个堆，而程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈都是一个线程对应一个。
• 堆在虚拟机启动时创建，是垃圾回收的主要场所。
• 堆可分为新生代和老年代
• Java虚拟机也规定，堆可以处于物理上不连续的内存空间，但逻辑上应该当作连续的。

Java堆使用的内存不需要保证连续性，但是由于堆是被线程共享的，所以访问的时候需要注意同步的问题，方法和属性都要保持一致性。

新生代于老年代

• 老年代比新生代生命周期要长
• 新生代与老年代默认空间比例是1:2，新生代占1、老年代占2，新生代占整个堆的1/3。
• 新生代中Eden 空间和另外两个 Survivor 空间缺省所占的比例是：8:1:1。
• 几乎所有的 Java 对象都是在 Eden 区被 new 出来的，Eden 放不了的大对象，就直接进入老年代了。

对象的分配过程

这部分描述的不够详细，可以自行百度查看更详尽的回收流程

• 创建的对象先放在eden区，大小有限制。
• 创建新对象时Eden区满了会触发Minor GC,将Eden区不在被其他对象引用的对象进行销毁，在加载新- 的对象到Eden区，这里要注意的是Survivor区满了不会触发Minor GC,而是Eden空间满了，Minor Gc才顺便清理Survivor0区。
• 将上述Eden 中剩余的对象移到 Survivor0 区
• 再次触发垃圾回收，上次Survivor下来的，在Survivor0 区，如果没有回收，会被复制到Survivor1区
• 再次经历垃圾回收，又回将幸存者放到Survivor0 区，以此类推

Minor GC、Major GC、Full GC的区别 定义

Minor GC:清理年轻代空间（包括Eden和survivor）释放在Eden区域中不活跃的对象，若释放后Eden空间还是放不下新对象就会将活跃的对象放入survivor区，survivor作为Eden和老年代的中间交换区域，当老年代空间足够时，在survivor区被循环超过15次的对象将会放入老年代中。survivor1向survivor2复制时对象大小大于survivor2的可用内存，则直接把该对象转入老年代中。

Majro GC:清理老年代空间，当老年代空间不足时，JVM会在老年代进行Major GC。

Full GC: 清理整个堆空间包括年轻代和老年代。

触发机制

Minor GC:年轻代满时会触发，指的是Eden区满会触发，survivor满不会触发。

Full GC：

• 老年代空间不足
• 方法区空间不足
• 通过minor GC 进入老年代的平均大小>老年代的可用内存会触发

逃逸分析

逃逸分析（从JDK1.7开始默认开启）

Java中的对象都是在堆中分配吗？说明为什么！

逃逸分析就是 分析Java对象的动态作用域
 一个对象被定义之后，如果能被外部对象引用，就称之为方法逃逸，如果被其他线程引用称之为线程逃逸

例如下面这段代码，s是一个内部变量，直接将s返回这个StringBuffer 对象可能在其他地方被修改导致作用域就不单单是在方法内部 ，就算是一个局部变量，但是逃逸到了方法外，这就是所谓的方法逃逸

public static StringBuffer createStringBuffer(String s1, String s2) {

    StringBuffer s = new StringBuffer();

    s.append(s1);

    s.append(s2);

    return s;
}

修改后：

public static StringBuffer createStringBuffer(String s1, String s2) {

    StringBuffer s = new StringBuffer();

    s.append(s1);

    s.append(s2);

    return s.toString;
}

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

• 同步省略：如果一个对象被发现只能从一个线程访问，对于这个对象的操作可以不考虑同步问题。
• 将堆分配转化为栈分配：如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈分配的候选，而不是堆分配。

在编译期间，如果经过JIT逃逸分析，发现对象没有逃逸出方法，那么有可能堆内存分配会被优化成栈内存分配。

TLAB（Thread local allocation buffer）

中文意思是：线程本地分配缓存区

• 是属于Eden区的，是线程专用的内存分配区域，线程私有，默认开启（不是绝对，看虚拟机类型）占用Eden区域的1%，大对象无法分配给TLAB。
• 堆是全局共享的，同一时间，可能会有很多线程在堆上申请空间，这种情况下要加锁处理，效率自然降下来了
• 所以使用TLAB来避免多线程冲突，在给对象分配内存时，每个线程使用直接的TLAB，可以使线程同步，提高分配效率。
• 并不是所有的对象都可以在TLAB分配内存成功。
• TLAB中内存不足时，按照比例值处理，当TLAB小于比例值时，放弃当前TLAB重建一个来分配，默认比例是1/64，收到分配请求后TLAB如果没有足够的空间，就判断是否小于1/64，则重新创建TLAB。
• 如果重新创建的TLAB空间还是放不下这个对象，则直接去Eden创建。

四种引用方式

• 强引用：创建一个对象，赋值给一个引用变量，普通new出来的对象都是强引用，有引用变量指向时永远不会被垃圾回收，即使抛出oom,解决办法是将引用赋值为null,这个时候指向的对象就会被垃圾回收
• 软引用：如果一个对象具有软引用，内存空间足够不会回收，内存空间不够就会回收，只有没有被回收就可以被使用。
• 弱引用：非必须对象，jvm垃圾回收时，无论内存是否充足都会回收弱引用关联的对象
• 虚引用：并不会觉得对象的生命周期，如果一个对象持有虚引用，跟没有引用一样，随时可能会被回收

方法区 方法区定义

Java虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分

方法区存放以下信息：

• 已经被虚拟机加载的类信息
• 常量
• 静态变量
• 即时编译后的代码

方法区特点

• 线程共享：方法区是堆的一个逻辑部分，因此和堆一样被线程共享。整个虚拟机只有一个方法区
• 永久代：方法区的信息一般是长期存在，又是堆的逻辑分区，在堆中被划分为永久代
• 内存回收效率低，在方法区中信息一般是长期存在，回收一遍后可能只有少量无效信息，主要回收目标是对常量和类型的卸载。
• Java虚拟机对方法区的规定比较松，和堆一样运行固定大小和动态拓展，也允许不实现垃圾回收

运行时常量池

 方法区中存放：类信息，常量，静态变量，即时编译后的代码，常量存放在常量池中。当类被java虚拟机加载后.class文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中，在运行时可以向常量池添加新的常量，String 类的 intern() 方法就可以向常量池添加字符串常量

总结

 到这里文章已经结束了,主要结合其他文章说明了自身对java虚拟机的五个部分的理解。

参考文章如下：

参考：Java中的逃逸分析，通俗易理解
参考：【JVM】 TLAB到底是干什么的
参考：JVM 底层原理最全知识总结
参考：Minor GC、Major GC和Full GC之间的区别