文章目錄

• 圖形概述
• 程序計數(shù)器
• • 概念
  • 示例
  • 討論
• 虛擬機棧（本地方法棧）
• • 棧幀概述
  • 棧幀結構
  • • 局部變量表
    • • Variable Slot
    • 操作數(shù)棧
    • • JVM基于棧的字節(jié)碼解釋執(zhí)行引擎
    • 動態(tài)連接
    • 方法返回地址
    • 附加信息
  • 棧運行原理
  • 本地方法棧
• 堆
• • 分代思想
  • 設置堆內(nèi)存的參數(shù)
  • 內(nèi)存分配策略
  • 對象在分代空間中流轉
• 方法區(qū)（元空間）
• • 概述
  • 設置元空間內(nèi)存大小
  • 運行時常量池
• 虛擬機棧、堆、方法區(qū)交互

本文基于JDK8進行分析

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忘了什么時候，在哪里聽到這么一句話，一圖勝千言，從后來的工作經(jīng)歷中驗證，圖形展示的內(nèi)容確實會加深記憶，不容易忘記。

先上圖片，運行時數(shù)據(jù)區(qū)布局概覽，元空間和CodeCache（JIT編譯后的代碼）又稱為非堆區(qū)域。

在Hotspot虛擬中，本地方法棧已合并到虛擬機棧，上圖用相同顏色標記。
對運行時數(shù)據(jù)區(qū)有了整體的認知后，在來一張從線程安全角度來看運行時數(shù)據(jù)區(qū)的圖片，加深下記憶，接下來本篇會從程序計數(shù)器、虛擬機棧、堆、元空間進行詳細講解，ThreadLocal后續(xù)再開一片單獨講解，或是放到JUC中講解。

程序計數(shù)器 概念

• 可以看做當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。
• 可以忽略不記的內(nèi)存空間占用，運行最快的存儲區(qū)域。
• 線程私有的，生命周期和線程生命周期保持一致。
• 唯一一個在JVM規(guī)范中沒有規(guī)定任何OOM的區(qū)域。
• 程序控制流的指示器，分支、循環(huán)、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都要依賴這個計數(shù)器完成。
• 如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法，計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；如果正在指定Native方法，這個計數(shù)器值則為空（Undefined）。

示例

public static void main(String[] args) {int a = 1;
        int b = 2;
        System.out.println(a + b);
    }

有兩種方式可以查看到程序計數(shù)器，在終端可以執(zhí)行javap -v ProgramCounterRegister.class，或是使用jclasslib插件。

討論

1. 使用程序計數(shù)器存儲字節(jié)碼指令地址有什么用?
   CPU在取得時間片的線程間不停切換，切換回來的時候要知道從哪里繼續(xù)執(zhí)行。
2. 程序計數(shù)器為何被設置為線程私有？
   CPU不停的做任務切換，這樣必然會導致經(jīng)常中斷或恢復，為了能準確記錄各個線程正在執(zhí)行的當前字節(jié)碼指令地址，最好的辦法就是每個線程都有自己的程序計數(shù)器。線程間不會相互影響。

虛擬機棧（本地方法棧） 棧幀概述

• 每個線程都有自己的棧，棧中的數(shù)據(jù)都是以棧幀的形式存在，在線程上正在執(zhí)行的方法都有各自對應的一個棧幀。
• 棧幀是一塊內(nèi)存區(qū)塊，是一個數(shù)據(jù)集，保存方法執(zhí)行過程中的各類數(shù)據(jù)信息。

棧幀結構

• 局部變量表（Local Variables Table）
• 操作數(shù)棧(Operand Stack)
• 動態(tài)連接(Dynamic Linking，指向運行時常量池的方法引用)
• 方法返回地址（方法正常退出或異常退出的定義）
• 附加信息

局部變量表

• 是一組變量值的存儲空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量。
• 容量大小在編譯期確定，在方法運行期間不會改變局部變量表大小。
• 方法嵌套調(diào)用的次數(shù)由棧的大小決定，方法的參數(shù)和局部變量越多，局部變量表越大，進而棧幀越大，會占用更多的棧空間，導致嵌套次數(shù)減少。
• 局部變量表中的變量只在當前方法調(diào)用中有效，方法執(zhí)行時，虛擬機通過局部變量表完成實參到形參的傳遞，方法調(diào)用結束后，隨著方法棧幀的銷毀，局部變量表也會隨之銷毀。

Variable Slot

• 局部變量表的基本存儲單元是變量槽(Variable Slot)，局部變量表中存放編譯期可知的8種基本數(shù)據(jù)類型，以及refrence引用類型，returnAddress類型的變量。
• 32位以內(nèi)的類型只占一個slot，64位類型（long、double）占用兩個slot，byte、short、char存儲前轉換為int，boolean也被轉換為int，0表示false，非0表示true。

操作數(shù)棧

• 操作數(shù)棧就是JVM執(zhí)行引擎的一個工作區(qū)，當一個方法開始執(zhí)行時，一個新的棧幀會隨之創(chuàng)建，棧幀中的操作數(shù)棧也便創(chuàng)建了，只不過此時操作數(shù)棧是空的。
• 在方法執(zhí)行過程中，根據(jù)字節(jié)碼指令，向棧中寫入數(shù)據(jù)或提取數(shù)據(jù)，即入站（push）或出棧（pop）。
• 主要用于保存計算過程的中間結果，同時作為計算過程中變量臨時的存儲空間。
• 在編譯期確定棧深度用于存儲數(shù)值，保存在方法的Code屬性中。
• 如果調(diào)用的方法有返回值，其返回值將會被壓入當前棧幀的操作數(shù)棧中，并更新程序計數(shù)器中下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。

JVM基于棧的字節(jié)碼解釋執(zhí)行引擎

標題中棧指的就是操作數(shù)棧，本小節(jié)將展示基于棧的解釋器執(zhí)行過程，下面引用《深入理解Java虛擬機》（第三版）中的示例進行展示。

// 代碼
    public int calc() {int a = 100;
        int b = 200;
        int c = 300;
        return (a + b) * c;
    }

字節(jié)碼指令，截圖中顯示這段代碼需要深度為2的操作數(shù)棧和4個變量槽的局部變量空間。

代碼執(zhí)行過程中，操作數(shù)棧、局部變量表的變化如圖1至圖6所示。

圖1，執(zhí)行程序計數(shù)器地址為0的指令，bipush指令作用是將100壓入操作數(shù)棧頂。
圖2，執(zhí)行程序計數(shù)器地址為2的指令，istore_1指令作用是將操作數(shù)棧頂?shù)恼椭党鰲２⒋娣诺骄植孔兞勘淼刂窞?的變量槽中。
圖3，執(zhí)行程序計數(shù)器地址為11的指令，iload_1的作用是將局部變量表中地址為1的變量槽中的整型值100復制到操作數(shù)棧頂。
圖4，和圖3相同操作，將200復制到操作數(shù)棧頂。
圖5，iadd的作用是將操作數(shù)棧中頭兩個棧頂元素出棧，做整型加法，然后把結果重新入棧。iadd執(zhí)行完畢，100、200被出棧，計算結果300被重新入棧。
圖6，和圖3相同操作，將局部變量表中地址為3的變量槽中的300壓入操作數(shù)棧，imul是將兩個300出棧，然后做整型乘法，再將結果90000壓入操作數(shù)棧，ireturn將90000返回給調(diào)用者。

動態(tài)連接

• 每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了支持方 法調(diào)用過程中的動態(tài)連接(Dynamic Linking)。
• 在Java源文件被編譯到字節(jié)碼文件中，所有的變量和方法引用都作為符號引用保存在class文件的常量池里。當一個方法調(diào)用其他方法時，就是通過常量池中指向方法的符號引用來表示的，動態(tài)連接的作用就是為了將這些符號引用轉換為調(diào)用方法的直接引用。

方法返回地址

一個方法執(zhí)行后有兩種方式退出。

1. 正常退出，此時可能會有返回值傳遞給調(diào)用者。
2. 異常退出，不會給上層調(diào)用者提供任何返回值。

無論采用何種方式退出，在方法退出后都必須返回到最初方法被調(diào)用的位置，程序才能繼續(xù)執(zhí)行，方法返回是需要棧幀中保存一些信息，用來幫助恢復它的上層調(diào)用者的執(zhí)行狀態(tài)。

1. 正常退出時，調(diào)用者的程序計數(shù)器的值可以作為返回地址。
2. 異常退出時，返回地址通過異常處理器表確定，棧幀中不存。

附加信息

《Java虛擬機規(guī)范》允許虛擬機實現(xiàn)增加一些規(guī)范里沒有描述的信息到棧幀之中，例如與調(diào)試、 性能收集相關的信息，這部分信息完全取決于具體的虛擬機實現(xiàn)。

棧運行原理

• 在一個活動的線程中，一個時間點上，只有一個活動的棧幀，即只有當前正在執(zhí)行的方法的棧幀（棧頂棧幀）是有效的，這個棧幀被稱為當前棧幀，與當前棧幀對應的方法就是當前方法，定義這個方法的類就是當前類。
• 執(zhí)行引擎運行的所有字節(jié)碼指令只針對當前棧幀進行操作。
• 如果在當前方法中調(diào)用了其他方法，則會創(chuàng)建新的棧幀，放在棧頂，成為新的當前棧幀，在調(diào)用的方法返回時，新的當前棧幀會回傳次方法的執(zhí)行結果給前一個棧幀，然后虛擬機會丟棄當前棧幀，使前一個棧幀重新成為當前棧幀。
• 不同線程中所包含的棧幀不可以相互引用。
• 方法執(zhí)行后，無論是正常return，還是拋出異常，棧幀都會被彈出。

本地方法棧

• 本地方法棧(Native M ethod Stacks)與虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別只是虛擬機 棧為虛擬機執(zhí)行Java方法(也就是字節(jié)碼)服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的本地(Native) 方法服務。
• 常用的HotSpot虛擬機把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧也會在棧深度溢出或者棧擴展失 敗時分別拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
• 本地方法是C語言實現(xiàn)的，具體做法是在Native Method Stack中登記native方法，在執(zhí)行引擎執(zhí)行時加載本地方法庫。
  

堆

說到堆就很難繞開對象創(chuàng)建，垃圾回收等內(nèi)容，但是本小節(jié)不涉及垃圾回收的內(nèi)容，后續(xù)會單獨開篇講解。

分代思想

先來個全局圖。

• 堆進一步細分，可以劃分為新生代和老年代，其中新生代又可以劃分為Eden空間、Survivor0空間和Survivor1空間。
• 空間占比默認配置-XX:NewRatio=2，新生代和老年代堆空間占比為1:2，新生代占整個堆空間的1/3，可以修改-XX:NewRatio來改變新生代占比，但是開發(fā)中次參數(shù)一般不會去更改。
• 在HotSpot中，Eden和S0、S1的空間占比默認是8:1:1，可以通過-XX:SurvivorRatio來調(diào)整空間占比。
• 分代的目的是優(yōu)化GC性能，沒有分代，那所有的對象都在一起，GC時就會掃描堆的所有區(qū)域。有了分代GC時就會先把"朝生夕死"的新生代區(qū)域進行回收，研究表明在新生代中，對常規(guī)應用進行一次垃圾收集通常 可以回收70%至99%的內(nèi)存空間。

設置堆內(nèi)存的參數(shù)

• 通過-Xms（-XX:InitialHeapSize）設置堆初始大小，默認值為物理內(nèi)存的1/64。
• 通過-Xmx（-XX:MaxHeapSize）設置堆大內(nèi)存，默認值為物理內(nèi)存的1/4，堆中內(nèi)存使用超過-Xmx設置的大值，就會拋出OutOfMemoryError異常。
• 通常會將-Xmx、-Xms配置相同的值，目的是為了在垃圾回收機制清理完堆區(qū)后不需要重新分隔計算堆區(qū)的大小，從而提高效率。
• 更多參數(shù)配置請參考官方文檔https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

內(nèi)存分配策略

• 對象優(yōu)先在Eden分配。
• 大對象直接進入老年代。
  • HotSpot虛擬機提供了-XX:PretenureSizeThreshold 參數(shù)，指定大于該設置值的對象直接在老年代分配，這樣做的目的就是避免在Eden區(qū)及兩個Survivor區(qū) 之間來回復制，產(chǎn)生大量的內(nèi)存復制操作。
• 長期存活的對象將進入老年代。
• 動態(tài)年齡判斷。
  • HotSpot虛擬機并不是永遠要求對象的年齡必須達到- XX:M axTenuringThreshold才能晉升老年代，如果在Survivor空間中相同年齡所有對象大小的總和大于 Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對象就可以直接進入老年代，無須等到-XX:
    MaxTenuringThreshold中要求的年齡。
• 空間分配擔保。

對象在分代空間中流轉

對象通常在Eden區(qū)里誕生，如果經(jīng)過第一次新生代 GC后仍然存活，并且能被Survivor容納的話，該對象會被移動到Survivor空間中，并且將其對象 年齡設為1歲。對象在Survivor區(qū)中每熬過一次Minor GC，就在兩個survivor（S0、S1）中完成一次移動，年齡增加1歲，當它的年齡增加到一定程度(默認為15)，就會被晉升到老年代中。對象晉升老年代的年齡閾值，可以通過參數(shù)-XX:
M axTenuringThreshold設置。

方法區(qū)（元空間） 概述

• 方法區(qū)(Method Area)與Java堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲已被虛擬機加載 的類型信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼緩存等數(shù)據(jù)。雖然《Java虛擬機規(guī)范》中把 方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫作“非堆”(Non-Heap)，目的是與Java堆區(qū) 分開來。
• 在JDK7及之前版本，習慣把方法區(qū)稱為永久代，JDK8開始使用元空間取代了永久代，本質(zhì)上方法區(qū)和永久代并不等價。
• 元空間的本質(zhì)和永久代類似，都是對JVM規(guī)范中方法區(qū)的實現(xiàn)。元空間和永久代大的區(qū)別在于，元空間使用的本地內(nèi)存，不在虛擬機設置的內(nèi)存中。
  

設置元空間內(nèi)存大小

• 通過-XX:MetaspaceSize設置元空間的初始大小，通過-XX:MaxMetaspaceSize設置元空間大值，64位服務端JVM中MetaspaceSize默認值為21M。這就是初始的高水位線，一旦觸及這個水位線，F(xiàn)ull GC將會被觸發(fā)并卸載沒有用的類，然后這個高水位線將會被重置。新的高水位線值取決于GC后釋放了多少元空間。

運行時常量池

• 運行時常量池(Runtime Constant Pool)是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類的版本、字 段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池表(Constant Pool Table)，用于存放編譯期生 成的各種字面量與符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運行時常量池中。

虛擬機棧、堆、方法區(qū)交互

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當前文章：JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)-創(chuàng)新互聯(lián)
文章出自：http://weahome.cn/article/djjocs.html