JVM（二）:运行时数据区详解

概述

内存是非常重要的系统资源，是硬件和CPU的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行。
JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行。
不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。
Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁，另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

• 线程私有：本地方法栈、程序计数器、虚拟机栈。
• 线程共享： 堆、元数据区、代码缓存。

程序计数器

介绍

JVM中的程序计数寄存器（Program Counter Register）中，Register的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息，CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行，这里，并非是广义上 v所指的物理寄存器，或许将其翻译为PC计数器（或指令计数器）会更加贴切（也称为升序钩子），并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模型。

作用

PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也就是即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。

• 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不计，也是运行速度最快的存储区域。

• 在JVM规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程的生命周期保持一致。

• 任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的==当前方法 ==。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址，或者，如果是在执行native方法，则是未指定值（undefined）

• 它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器完成。

• 字节码解释器工作时就是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。

• 它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OOM Error情况的区域。（既没有GC也没有OOM）。
  1.使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用？为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址？
  JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。
  因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪里开始继续执行。

  2.PC寄存器为什么会被设定为线程私有？
  CPU在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法，CPU会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？
  为了能够准确的记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器，
  这样一来各个线程之间便可以独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。
  由于CPU时间片轮流限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一条指令。
  这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢?每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器在各个线程之间互不影响。

CPU时间片
即CPU分配给各个程序的时间，每个线程被分配一个时间段，称作它的时间片。
在宏观上：我们可以同时打开多个应用程序，每个程序并行不悖，同时运行。
但在微观上：由于只有一个CPU，一次只能处理程序要求的一部分，如何处理公平，一种方法就是引入时间片，每个程序轮流执行。

虚拟机栈

概述

由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CUP架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。
优点是快平台，指令集小，编译器容易实现，确定是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。
栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。
即：栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。
Java虚拟机栈（Java Virtual Mechine Stack），早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个栈帧（Stack Frame），对应着一次次的Java方法调用。是线程私有的。
生命周期与线程的生命周期一致。主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。

特点

• 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器。
• JVM直接对Java栈的操作有两个：每个方法执行，伴随着入栈。执行结束后的出栈。
• 对于栈来说不存在垃圾回收问题。但存在内存溢出。
• FILO

常见异常与设置大小

Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的

• 如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。如方法递归调用但没有结束的条件。
• 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那么Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。
  设置栈内存的大小
  我们可以使用参数-Xss选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

栈的存储单位

• 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都以栈帧（Stack Frame）的格式存在。
• 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧。
• 栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

运行原理

• JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进后出”/“后进先出”的原则。
• 在一条活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧（栈顶栈帧）是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧（Current Frame），与当前栈帧相对应的方法就是当前方法（Current Method），定义这个方法的类就是当前类（Current Class）。
• 执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。
• 如果在该方法中调用了其它方法，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前帧。
• 不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。
• 如果当前方法调用了其它方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧。
• Java方法有两种返回函数方式，1：正常的函数返回，使用return指令；2：抛出异常，不管使用哪种方式都会导致栈帧被弹出。
  

内部结构

• 局部变量表（Local Variables）
• 操作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）
• 动态连接（Dynamic Linking）(或指向运行时常量池的方法引用)
• 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
• 一些附加信息
  

局部变量表

• 局部变量表也被称为局部变量数组或本地变量表。
• 定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，这些数据类型包括8种基本数据类型、对象引用（reference），以及returnAddress类型。
• 由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据的安全问题。
• 局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的Code属性locals数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。
• 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。对一个方法而言，它的参数和局部变量数据越多，使得局部变量表膨胀，它的栈帧就越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而方法调用就会占用更多的栈空间，导致其嵌套调用的次数就会减少。
• 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。

将.class解析为字节码指令：locals=11代表局部变量表的长度，LocalVariableTable代表局部变量表中数据。

// java代码
public static void main(String[] args) {
    byte g = 111;
    short h = 1;
    int a = 10;
    long b = 100;
    float c = 111f;
    double d = 111d;
    boolean e = true;
    char f = 'v';
}

// 将java编译为字节码文件，再通过javap -v filename解析字节码指令
Classfile /D:/DevTool/test.class
  Last modified 2020-8-16; size 657 bytes
  MD5 checksum 3508d6109d06e7084d9346e8e56b55eb
  Compiled from "test.java"
public class com.gy.parking.config.test
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #8.#39         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Long               100l
   #4 = Float              111.0f
   #5 = Double             111.0d
   #7 = Class              #40            // com/***/test
   #8 = Class              #41            // java/lang/Object
   #9 = Utf8               
  #10 = Utf8               ()V
  #11 = Utf8               Code
  #12 = Utf8               LineNumberTable
  #13 = Utf8               LocalVariableTable
  #14 = Utf8               this
  #15 = Utf8               Lcom/***/test;
  #16 = Utf8               main
  #17 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #18 = Utf8               args
  #19 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #20 = Utf8               g
  #21 = Utf8               B
  #22 = Utf8               h
  #23 = Utf8               S
  #24 = Utf8               a
  #25 = Utf8               I
  #26 = Utf8               b
  #27 = Utf8               J
  #28 = Utf8               c
  #29 = Utf8               F
  #30 = Utf8               d
  #31 = Utf8               D
  #32 = Utf8               e
  #33 = Utf8               Z
  #34 = Utf8               f
  #35 = Utf8               C
  #36 = Utf8               MethodParameters
  #37 = Utf8               SourceFile
  #38 = Utf8               test.java
  #39 = NameAndType        #9:#10         // "":()V
  #40 = Utf8               com/***/test
  #41 = Utf8               java/lang/Object
{
  public com.***.test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/***/test;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=11, args_size=1
         0: bipush        111
         2: istore_1
         3: iconst_1
         4: istore_2
         5: bipush        10
         7: istore_3
         8: ldc2_w        #2                  // long 100l
        11: lstore        4
        13: ldc           #4                  // float 111.0f
        15: fstore        6
        17: ldc2_w        #5                  // double 111.0d
        20: dstore        7
        22: iconst_1
        23: istore        9
        25: bipush        118
        27: istore        10
        29: return
      LineNumberTable:
        line 11: 0
        line 12: 3
        line 13: 5
        line 14: 8
        line 15: 13
        line 16: 17
        line 17: 22
        line 18: 25
        line 22: 29
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      30     0  args   [Ljava/lang/String;
            3      27     1     g   B
            5      25     2     h   S
            8      22     3     a   I
           13      17     4     b   J
           17      13     6     c   F
           22       8     7     d   D
           25       5     9     e   Z
           29       1    10     f   C
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      args
}
SourceFile: "test.java"

变量槽Slot

• 参数值的存放总使在局部变量表的index0开始，到数组长度-1的索引结束。
• 局部变量表，最基本的存储单元时Slot。
• 局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型（8种），引用类型（reference）,returnAddress类型的变量。
• 在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot（包括returnAddress类型），64位的类型（long和double）占用两个slot。byte、short、char、boolean在存储前被转换为int。
• JVM会为局部变量表中的每一个Slot都分配一个访问索引，通过索引即可成功访问到局部变量表种指定的局部变量值。
• 当一个实例方法（非静态方法）被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个Slot上。
• 如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可。
• 如果当前栈帧是由构造方法或者实例方法（非静态方法）创建的，那么该对象引用this将会存放在index0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。

从字节码层面解释了为什么不能在static方法中使用this.来调用，因为this变量不存在于静态方法的局部变量表中。

• 栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后声明的新的局部变量就很有可能回复用过期的槽位，从而达到节省资源的目的。

静态变量与局部变量的对比

• 参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。
• 我们知道类的变量表有两次初始化的机会，第一次是在类加载的“准备阶段“，执行系统初始化，对类的变量设置零值，另一次则是在”初始化阶段“，赋予程序在代码中定义的初始值。
• 和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一但定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用

在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是局部表链表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。
局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。(跟搜索算法或可达性分析)

操作数栈

Java虚拟机的解释执行引擎被称为"基于栈的执行引擎"，其中所指的栈就是指－操作数栈。操作数栈也常被称为操作栈。和局部变量区一样，操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组。但是和前者不同的是，它不是通过索引来访问，而是通过标准的栈操作—压栈和出栈—来访问的。比如，如果某个指令把一个值压入到操作数栈中，稍后另一个指令就可以弹出这个值来使用。
虚拟机在操作数栈中存储数据的方式和在局部变量区中是一样的：如int、long、float、double、reference和returnType的存储。对于byte、short以及char类型的值在压入到操作数栈之前，也会被转换为int。
虚拟机把操作数栈作为它的工作区——大多数指令都要从这里弹出数据，执行运算，然后把结果压回操作数栈。比如，iadd指令就要从操作数栈中弹出两个整数，执行加法运算，其结果又压回到操作数栈中，看看下面的示例，它演示了虚拟机是如何把两个int类型的局部变量相加，再把结果保存到第三个局部变量的：

• 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出的操作数栈，也可以称之为表达式栈。
• ==操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈/出栈，==某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈，使用它们后再把结果压入栈。比如：执行复制、交换、计算等操作。
• 操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。
• 操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈是空的。
• 每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为max_stack的值。
• 栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型，32bit的类型占用一个栈单位深度，64bit的类型占用两个栈单位深度。
• 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。
• 如果被调用的方法滴啊有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。
• 操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。
• 另外，我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

动态链接

• 每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接。
• 在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用（Symbolic Reference）保存在class文件的常量池里（称为运行时常量池）。比如：描述一个方法调用了另外的其它方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用 。
• 

方法的调用

JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关。

• 静态链接：当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行期间保持不变时。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。
• 动态链接：如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接。
  对应的方法的绑定机制为：早期绑定（Early Binding）和晚期绑定（Late Binding）。绑定是一个字段、方法或类在符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。
• 早期绑定：早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知，且运行期间保持不变时，即可将这个方法与所属的类型进行绑定，这样一来，由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个，因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。
• 晚期绑定：如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。

方法返回地址

• 存放调用该方法的PC寄存器的值。
• 一个方法的结束，有两种方式：1.正常执行完成；2.出现未处理的异常，非正常退出；
• 无论通过那种方式退出，在方法退出后都返回到方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的PC计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息。

本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。因此，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器的值等，让调用者方法继续执行下去。
正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给它的上层调用者产生任何的返回值。

一些附加信息

栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如，对程序调试提供支持的信息。

未完待续。。。