深入理解JAVA虚拟机 （一）

深入理解JAVA虚拟机 （一）

本文是学习《深入理解Java虚拟机》周志明著 所整理的学习笔记，如有错误请斧正
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  Java虚拟机在执行Java程序的过程中，会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和技术而建立和销毁。

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运行时数据区.png

程序计数器

  程序计数器（Program Counter Register） 是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

Q：程序计数器为什么会是私有的？
  由于Java虚拟机的多线程是通过线程的轮流切换并分配处理器执行时间（也就是我们说的CPU的时间片）的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）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，各条线程之间的计数器互不影响，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，这个计数器值则为空（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

Java虚拟机栈

  与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，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：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。
  一个方法被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从入栈到出栈的过程

  局部变量表存放了编译期可知的各种基本类型数据、对象引用（reference 类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其它与此对象相关的位置。我的理解是，通过这个对象应用可以准确的找到一个对象）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。
  其中64位长度的long与double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间是在编译期间完成的，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间时完全确定的，在方法运行期间，不会改变局部变量表的大小。
  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，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

  本地方法栈与Java虚拟机栈相似，区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务（字节码），本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法服务。同样会抛出StackOverflowError与OutOfMemoryError异常。

Java堆

  Java堆被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
  根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于**物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。

方法区

  方法区也是各个线程共享的内存区域，它用于存储已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等数据。GC在此区域主要针对常量池的回收和对类型的卸载，当方法区无法满足内存分配需求是，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

  运行时常量池时方法区的一部分。Class文件中出了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息时常量池，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存放到方法区的运行时常量池中。并且运行时常量池相对于Class文件常量池相比，具有动态性，在运行期间也可能将新的常量放入池中，在String类的intern()方法就是运用了此特性。同样，受内存限制，无法申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

  直接内存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，但是我们常常频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。
  JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Outpub或者non-blocking IO）类，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堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。本机直接内存的分配不会收到Java堆大小的限制，但是内存会受到本机总内存（包括RAW及SWAP区或者分页文件）的大小及处理器寻址空间的限制。

对象的访问

  对象访问在Java语言中无处不在，即使是最简单的访问，也会涉及Java栈、Java堆、方法区这三个最重要内存区域之间的关联关系，如下面的代码：

    Object obj = new Object();

"Object obj"这部分的语义会反映到Java栈的本地变量表中，作为一个reference类型数据出现。而“new Object()” 这部分的语义会反映到Java堆中，形成一块存储了Object类所有实例数据值（Instance Data，对象中各个实例字段的数据）的结构化内存，根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布局的不同，这块内存的长度是不固定的。另外，在Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据（如对象类型，父类、实现的接口、方法等）的地址信息，这些类型数据则存储在方法区中。
不同类型的虚拟机实现对象访问的方式会有所不同，主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。

通过句柄访问对象

直接指针方式访问.png

  使用句柄的访问方式的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。
  使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，节省了一次指针定位的开销。

小结

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  至此我们对JVM虚拟机应该有了一个大体的认识，如下图

对应关系图

区域	所存放信息	是否线程共享
程序计数器	字节码的行号指示器（需要执行的字节码指令、分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能依赖程序计数器）	否
方法区	已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等数据	是
java堆	对象实例	是
虚拟机栈	局部变量表（基本类型数据、对象引用、returnAddress类型）、操作栈、动态链接、方法出口等信息	否

StackOverflowError异常

  当发生StackOverflowError异常时，只有虚拟机栈和本地方法栈两处可能出现该异常。

  -Xoss参数（设置本地方法栈大小） -Xss 参数 栈容量 如下代码参数-Xss 128k

package com.geek.test;

/**
 * @Author:geek之路
 * @Desciption
 */
public class JVMStackSOFE {

    private long stackLength = 1L;

    public void makeLeak(){
        stackLength++;
        makeLeak();
    }

    public static void main(String[] args) throws  Throwable{
        JVMStackSOFE sofe = new JVMStackSOFE();
        try{
            sofe.makeLeak();
        }catch (Throwable throwable){
            System.out.println("stack length" + sofe.stackLength);
            throw throwable;
        }

    }
}

  假设整个系统只有虚拟机并可正常操作:一个2GB内存的操作系统为例 2GB-Xmx（最大堆容量）-MaxPermSize（最大方法区容量）-0（忽略程序计数器内存消耗及其余虚拟机进程消耗）剩余的就由虚拟机栈与本地方法栈分配。每个线程分配到的栈容量越大，可建立的线程数量自然就越小，在高并发业务逻辑处理不复杂的情况下，可以适量减少栈容量的分配，用来换取更多的线程。