JVM-JVM运行时数据区

JVM整体组成

• 类加载器
• 执行引擎
• 运行时数据区
• 本地接口

  程序在执行之前先要把java代码转换成字节码（class文件），jvm首先需要把字节码通过一定的方式 类加载器（ClassLoader） 把文件加载到内存中 运行时数据区（Runtime Data Area） ，而字节码文件是jvm的一套指令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器 执行引擎（Execution Engine） 将字节码翻译成底层系统指令再交由CPU去执行，而这个过程中需要调用其他语言的接口 本地库接口（Native Interface） 来实现整个程序的功能，这就是这4个主要组成部分的职责与功能。

概念

• JVM内存结构：和Java虚拟机的运行时区域有关。
• Java内存模型：和Java的并发编程有关。就是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时，存在的本地内存数据不一致、编译器会对代码指令重排序、处理器会对代码乱序执行等带来的问题。
• Java对象模型：和Java对象在虚拟机中的表现形式有关。Java是一种面向对象的语言，而Java对象在JVM中的存储也是有一定的结构的。而这个关于Java对象自身的存储模型称之为Java对象模型。

JVM运行时数据区域

JVM运行时数据区域.png

程序计数器（PC 寄存器）

• 简述：

  这块内存区域很小，它是当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解释器通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。
  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，如果当前线程正在执行的是一个本地方法，那么此时程序计数器为Undefined。

• 作用：

1、字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制。
2、在多线程情况下，程序计数器记录的是当前线程执行的位置，从而当线程切换回来时，就知道上次线程执行到哪了。

• 特点：

1、是一块较小的内存空间。
2、线程私有，每条线程都有自己的程序计数器。
3、生命周期：随着线程的创建而创建，随着线程的结束而销毁。
4、是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError的内存区域。

• 异常规定：无
    如果线程正在执行Java中的方法，程序计数器记录的就是正在执行虚拟机字节码指令的地址，如果是Native方法，这个计数器就为空（undefined），因此该内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定OutOfMemoryError的区域。

Java 虚拟机栈（Java 栈）

java虚拟机栈.png

• 简述：Java 虚拟机栈是描述 Java 方法运行过程的内存模型。它的生命周期与线程相同。

  Java 虚拟机栈会为每一个即将运行的 Java 方法创建一块叫做“栈帧”的区域，用于存放该方法运行过程中的一些信息，如：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毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

• 压栈出栈过程

  当方法运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中。Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

• 特点：

1、局部变量表随着栈帧的创建而创建，它的大小在编译时确定，创建时只需分配事先规定的大小即可。在方法运行过程中，局部变量表的大小不会发生改变。
2、Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。
3、StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度时，抛出 StackOverFlowError 异常。
4、OutOfMemoryError 若允许动态扩展，那么当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展时，抛出 OutOfMemoryError 异常。
5、Java 虚拟机栈也是线程私有，随着线程创建而创建，随着线程的结束而销毁。

• 异常规定：StackOverflowError、OutOfMemoryError

1、如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的栈深度就会抛出StackOverflowError异常。
2、如果虚拟机是可以动态扩展的，如果扩展时无法申请到足够的内存就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（C 栈）

• 简述：

  本地方法栈是为 JVM 运行 Native 方法准备的空间，由于很多 Native 方法都是用 C 语言实现的，所以它通常又叫 C 栈。它与 Java 虚拟机栈实现的功能类似，只不过本地方法栈是描述本地方法运行过程的内存模型。特性和异常： 同虚拟机栈一样。

• 栈帧变化过程

  本地方法被执行时，在本地方法栈也会创建一块栈帧，用于存放该方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。方法执行结束后，相应的栈帧也会出栈，并释放内存空间。也会抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 异常。

  如果 Java 虚拟机本身不支持 Native 方法，或是本身不依赖于传统栈，那么可以不提供本地方法栈。如果支持本地方法栈，那么这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。

堆

• 简述：

   堆是用来存放对象的内存空间，几乎所有的对象都存储在堆中。不同的区域存放不同生命周期的对象，这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法，更具有针对性。

• 特点：

1、线程共享，整个 Java 虚拟机只有一个堆，所有的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。
2、在虚拟机启动时创建。
3、是垃圾回收的主要场所。
4、进一步可分为：新生代(Eden区 From Survior区、 To Survivor区)、老年代。
5、从内存分配角度来看，线程共享的 Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）

  堆的大小既可以固定也可以扩展，但对于主流的虚拟机，堆的大小是可扩展的，因此当线程请求分配内存，但堆已满，且内存已无法再扩展时，就抛出 OutOfMemoryError 异常。
  Java 堆所使用的内存不需要保证是连续的。而由于堆是被所有线程共享的，所以对它的访问需要注意同步问题，方法和对应的属性都需要保证一致性。

• 异常规定：OutOfMemoryError

  如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆不可以再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError。
  Java虚拟机规范规定，Java堆可以处在物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现上也可以是固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是可扩展的，通过-Xmx和-Xms控制。

方法区

• 简述：
    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，即时编译器编译后的代码

• 特点：

1、线程共享。 方法区是堆的一个逻辑部分，因此和堆一样，都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区。
2、永久代。 方法区中的信息一般需要长期存在，而且它又是堆的逻辑分区，因此用堆的划分方法，把方法区称为“永久代”。HotSpot中，方法区≈永久代。不过JDK 7之后，我们使用的HotSpot应该就没有永久代这个概念了，会采用Native Memory来实现方法区的规划了。
3、内存回收效率低。 方法区中的信息一般需要长期存在，回收一遍之后可能只有少量信息无效。主要回收目标是：对常量池的回收；对类型的卸载。
4、Java 虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。 和堆一样，允许固定大小，也允许动态扩展，还允许不实现垃圾回收。

• 异常规定：OutOfMemoryError

运行时常量池

  它是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本信息、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池，用于存放编译期间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，另外翻译出来的直接引用也会存储在这个区域中。

直接内存

  直接内存是除 Java 虚拟机之外的内存，但也可能被 Java 使用。
  在 NIO 中引入了一种基于通道和缓冲的 IO 方式。它可以通过调用本地方法直接分配 Java 虚拟机之外的内存，然后通过一个存储在堆中的 DirectByteBuffer对象直接操作该内存，而无须先将外部内存中的数据复制到堆中再进行操作，从而提高了数据操作的效率。
  直接内存的大小不受 Java 虚拟机控制，但既然是内存，当内存不足时就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

直接内存与堆内存的比较

• 直接内存申请空间耗费更高的性能
• 直接内存读取IO的性能要优于普通的堆内存
• 直接内存作用链：本地IO->直接内存->本地IO
• 堆内存作用链：本地IO->直接内存->非直接内存->直接内存->本地IO