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JVM那点事（一）

作者：互联网

JVM那点事（一）

由于最近面试，提及JVM较多，回来就网上咨询后整理的资料，以备不时之需，很多大神们的精华都有所借鉴，望不吝赐教！辛苦大神们了！

JVM内存结构

在这里插入图片描述
ps:借的大佬的图，相信大佬不会拔刀相向！
科普：JVM也就是java虚拟机，不仅有Sun公司的HotSpot （后被Oracle收购)是目前使用范围最广的Java虚拟机，还有IBM的J9VM，是一个高性能的企业级java虚拟机，以及BEA公司的JRockit（原来的 Bea JRockit）电脑软件，系列产品是一个全面的Java运行时解决方案组合。非同一家公司的产品，肯定是有差异的，具体客官可自行百度学习！

注意：

一.堆和方法区，这2个区域是由所有线程共享的数据区，也就是我们常说的，在多线程情况下会发生线程安全问题的地方，二者储存的数据对象不同：
①堆，在虚拟机启动的时候创建，主要是储存的对象和数组，也是JVM管理的内存中面积最大的一块，内部划分出多个线程私有的分配缓冲区，可以在物理区域上不连续，但是逻辑上要连续。
堆是垃圾收集的主要区域，也成为GC堆。

现在收集器基本都采用分代收集算法，堆又分为新生代和老年代，其中新生代还可细分为Eden区，From Survivor区，To Survivor区。
主流虚拟机通过-Xms，-Xmx来实现堆内存扩展。

OutOfMemoryError : 如果堆中没有可用内存完成对象分配，并且堆也无法再扩展时，则抛出此异常。

#####示例代码
public class MemoryLeak {
public static void main(String[] args) {
Set objects = new LinkedHashSet();
System.out.println(“稍等一会儿，经常继续！”);
while (true) {
objects.add(new MyObject());
}
}
}
class MyObject{
//设置默认数组长度为99999更快的发生OutOfMemoryError
List list = new ArrayList<>(99999);
}

②方法区：用于存储已被虚拟机加载的类信息（多为static修饰的字段，方法），常量，即时编译器编译后的代码等，也叫做非堆。当方法区无法满足内存分配需求时，也会发生OutOfMemoryError，垃圾回收较少发生，回收的主要目标是常量池的回收和对类型的卸载。
JDK8之前，方法区的实现是永久代，JDK8之后是元空间替换了。以前永久带所有内容的字符串常量移到堆内存，其他内容移到元空间，元空间直接在本地内存分配。
为什么要使用元空间取代永久带的实现：
1.字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
2.类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的指定空间大小比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。
3.永久代会为GC带来不必要的负责度，并且回收效率低。
4.将Hotspot与JRockit合二为一。

运行时常量池
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，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

一般来说，除了保存 Class 文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java 语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入 Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，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便是 String 类的 intern() 方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

二。程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈是线程隔离的数据区，也就是线程私有区域，不存在线程安全问题。
①程序计数器：一块较小的内存空间，可看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

由于 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器内核都只会执行一条线程中的指令。

因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是 Native 方法，这个计数器值则为（Undefined）。此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

②虚拟机栈
与程序计数器一样，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame，是方法运行时的基础数据结构）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

在活动线程中，只有位于栈顶的帧才是有效的，称为当前栈帧。正在执行的方法称为当前方法，栈帧是方法运行的基本结构。在执行引擎运行时，所有指令都只能针对当前栈帧进行操作。
在这里插入图片描述

  1. 局部变量表
    局部变量表是存放方法参数和局部变量的区域。 局部变量没有准备阶段， 必须显式初始化。如果是非静态方法，则在 index[0] 位置上存储的是方法所属对象的实例引用，一个引用变量占 4 个字节，随后存储的是参数和局部变量。字节码指令中的 STORE 指令就是将操作栈中计算完成的局部变呈写回局部变量表的存储空间内。

虚拟机栈规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的 Java 虚拟机都可动态扩展），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

  1. 操作栈
    操作栈是个初始状态为空的桶式结构栈。在方法执行过程中， 会有各种指令往
    栈中写入和提取信息。JVM 的执行引擎是基于栈的执行引擎， 其中的栈指的就是操
    作栈。字节码指令集的定义都是基于栈类型的，栈的深度在方法元信息的 stack 属性中。

i++ 和 ++i 的区别：

①i++：从局部变量表取出 i 并压入操作栈(load memory)，然后对局部变量表中的 i 自增 1(add&store memory)，将操作栈栈顶值取出使用，如此线程从操作栈读到的是自增之前的值。
②++i：先对局部变量表的 i 自增 1(load memory&add&store memory)，然后取出并压入操作栈(load memory)，再将操作栈栈顶值取出使用，线程从操作栈读到的是自增之后的值。

之前之所以说 i++ 不是原子操作，即使使用 volatile 修饰也不是线程安全，就是因为，可能 i 被从局部变量表（内存）取出，压入操作栈（寄存器），操作栈中自增，使用栈顶值更新局部变量表（寄存器更新写入内存），其中分为 3 步，volatile 保证可见性，保证每次从局部变量表读取的都是最新的值，但可能这 3 步可能被另一个线程的 3 步打断，产生数据互相覆盖问题，从而导致 i 的值比预期的小。

  1. 动态链接
    每个栈帧中包含一个在常量池中对当前方法的引用， 目的是支持方法调用过程的动态连接。

4.方法返回地址
方法执行时有两种退出情况：

①正常退出，即正常执行到任何方法的返回字节码指令，如 RETURN、IRETURN、ARETURN 等；
②异常退出。

无论何种退出情况，都将返回至方法当前被调用的位置。方法退出的过程相当于弹出当前栈帧，退出可能有三种方式：

①返回值压入上层调用栈帧。
②异常信息抛给能够处理的栈帧。
③PC计数器指向方法调用后的下一条指令。

③本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。Sun HotSpot 虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

线程开始调用本地方法时，会进入 1个不再受 JVM 约束的世界。本地方法可以通过 JNI(Java Native Interface)来访问虚拟机运行时的数据区，甚至可以调用寄存器，具有和 JVM 相同的能力和权限。 当大量本地方法出现时，势必会削弱 JVM 对系统的控制力，因为它的出错信息都比较黑盒。对内存不足的情况，本地方法栈还是会抛出 nativeheapOutOfMemory。

JNI 类本地方法最著名的应该是 System.currentTimeMillis() ，JNI使 Java 深度使用操作系统的特性功能，复用非 Java 代码。 但是在项目过程中， 如果大量使用其他语言来实现 JNI , 就会丧失跨平台特性。

⑥直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是 Java 虚拟机规范中定义的内存区域。

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的 I/O 方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

显然，本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存（包括 RAM 以及 SWAP 区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置 -Xmx 等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。

标签：Java,常量,虚拟机,那点,线程,内存,JVM,方法
来源： https://blog.csdn.net/weixin_42706689/article/details/114805727