实战java虚拟机01- 认识java虚拟机的基本结构

实战java虚拟机 学习笔记

看穿Java虚拟机的架构

• 类加载子系统：负责从文件系统或者网络中加载class信息。
• 方法区：也称（永久代(PermGen)）加载的类信息放在方法区，方法区还会包括运行时常量信息，如：字符串字面量和数字常量。

java8的时候去除PermGen，将其中的方法区移到non-heap中的Metaspace。
Metaspace与PermGen之间最大的区别在于： Metaspace并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

• java堆：在虚拟机启动时建立，几乎所有的java对象都放在java堆中。堆空间是线程共享的。
• 直接内存：是java堆外的，直接向系统申请的内存区间。访问直接内存速度会优于java堆。因此出于性能的考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。（如NIO中：ByteBuffer.allocateDirect()）.直接内存不受-Xmx指定最大堆内存影响，但是系统内存是有限的， -Xmx+直接内存 <= 系统内存。
• 垃圾回收系统：垃圾回收器可以对方法区、java堆、直接内存进行回收。
• java栈：每一个虚拟机线程都有一个私有的java栈，java栈中保存着栈帧的信息,java栈中保存着局部变量表、方法参数，同时和java方法的调用、返回密切相关
• 本地方法栈：类似于java栈,最大的不同在于本地方法栈用于本地方法的调用。
• PC程序计数器：是每个线程的私有空间，它的作用可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器。一个java线程总是在执行一个方法，这个被执行的方法被称作当前方法。如果当前方法是一个java方法(非本地方法)：程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果执行的是本地方法，则计数器值为空(Undefined)。此内存区域是在java虚拟机规范中唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

• 执行引擎：是java虚拟机的组件之一，它负责执行虚拟机的字节码。

  学会设置Java虚拟机的参数
  

  java堆
  java堆是和java应用程序关系最为密切的内存空间，几乎所有的对象都放在堆中。并且java堆完全是自动化管理，通过垃圾回收机制，垃圾对象会被自动的清理，不需要显示的释放。
  根据垃圾回收机制的不同，java堆可能拥有不同的结构，最常见的是将整个java堆分为新生代(young generation)和老年代(old generation)。
  新生代分为：1个Eden区和2个Survivor区（默认比例为8：1），被称为s0区，s1区; s0和s1也称为from和to区域，它们两块是大小相等、可以互换角色的内存空间。

一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区,这些对象经过第一次新生代回收(Minor GC，老年代的回收是：MajorGC)后，如果对象还存活，则进入s0或者s1,之后每一次新生代回收,它的年龄就会+1,当达到一定年龄后，他会被认为是老年对象，从而进入老年代。

-XX:MaxTenuringThreshold    
设置晋升到老年代的最大年龄;如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入年老代。

java中堆、方法区、栈的关系

public class SimpleHeap {
    private int id;

    public SimpleHeap(int id) {
        this.id = id;
    }

    public void show(){
        System.out.println("My Id is:"+id);
    }

    public static void main(String[] args) {
        SimpleHeap s1 = new SimpleHeap(1);
        SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);
        s1.show();
        s2.show();

    }
}

java栈
java栈是一块线程私有的内存空间。线程执行的基本行为是函数调用， 每次函数调用的数据都是java栈传递的。
java栈与数据结构上栈有着类似的含义，它是一块先入后出的数据结构，支持支持入栈和出栈两种操作，在java栈中保存的主要内容为栈帧。

如上图所示：函数1对应栈帧1，函数2对应栈帧2，依次类推；函数1调用函数2，函数2调用函数3，函数3调用函数4。当函数n被调用时，函数n入栈；
当前正在执行的函数对应的帧就是当前的帧（位于栈顶）：它保存着局部变量表，中间运算结果等数据；
当函数返回时，栈帧从java栈顶弹出.java有两种返回函数的方式：1.正常返回，return指令；2.抛出异常；

由于每次函数调用都会生成对应的栈帧，从而占用一定的栈空间，如果栈空间不足，则会抛出异常StackOverflowError栈溢出错误;

java提供-Xss来指定线程最大栈空间，该参数决定了函数调用的最大深度,下面代码会抛出StackOverflowError异常；

private static int count = 0;
public static void recursion(){
    count++;
    recursion(); //递归死循环--StackOverflowError
}

• 局部变量表
  局部变量表是栈帧的重要组成部分，它用于保存函数的入参和局部变量表，局部变量表中的变量只在当前函数调用中有效，当函数调用结束后，随着函数栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。

  如果函数的入参和局部变量较多，会导致局部变量表膨胀，每一次函数调用占用的栈空间就会变多，导致函数可以正确的嵌套调用次数减少。

• 操作数栈
  操作数栈，主要保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。

• 帧数据区
  除了局部变量表和操作数栈，java栈帧还需要一些数据来支持常量池解析，正确方法返回和异常处理等。大部分java字节码指令需要进行常量池访问，在帧数据区保存着访问常量池的指针， 方便程序访问常量池。此部分称之为动态连接（Dynamic linking）
  当函数返回或者出现异常时，虚拟机必须恢复调用者函数的栈帧，并让调用者继续执行下去。对于异常处理，虚拟机必须要有一个异常处理表， 方便在发生异常时，找到处理异常的代码，因此异常处理表也是帧数据区的重要部分；
  
  它表示在字节码偏移量4-16字节遇到的异常，都跳至19处执行；
  如果无法在异常表中找到合适的处理方法，则结束当前函数调用，返回给调用函数，并在调用函数中抛出相同的异常，再在调用函数的异常表来处理
• 栈上分配
  栈上分配是java虚拟机提供的一项优化技术，它的基本思想是,对于那些线程私有的对象，可以将他们打散分配在栈上(几乎所有的java对象都放在java堆中)，而不是分配在堆上；分配在栈上的好处是：函数调用结束后，自动销毁，无需gc,从而提高系统性能；

public static void alloc(){
    User u = new User();
    u.id = 5;
    u.name = "xxx";
}

上述代码中,对象User是以局部变量表存在的，也没有被alloc()函数返回，所以它可能被分配在了栈上;

对于大量的零散的小对象，栈上分配是一种很好的分配优化策略，栈上分配速度快，并可以有效的避免垃圾回收带来的负面影响，但是栈空间相对较小，因此大对象无法也不适合分配在栈上分配.

方法区
和java堆一样，方法区也是一块线程共享的内存区域；它用于保存系统的类信息：比如类的字段，方法，常量池等。方法区的大小决定了系统可以保存多少个类。
在jdk1.6/jdk1.7，方法区可以理解为永久区（Perm）.,如果系统定义了太多类，会导出方法区溢出，虚拟机会抛出内存溢出异常；

-XX:PermSize=xxx -XX:MaxPermSize=xxx
指定永久区的大小和最大永久区大小， MaxPermSize默认为64M;

在jdk1.8,永久区被彻底移除，取而代之的是元数据区，它的大小可以用参数

-XX:MaxMetaspaceSize 指定最大元数据区大小，

,它是一个堆外的直接内存，如果不指定大小，默认情况下，虚拟机可能会耗尽所有的可用系统内存