JVM学习笔记（1）--运行时数据区域

运行时数据区域

相对于c，c++。程序设计时，java并不需要手动释放或者创建内存用于存放程序，这的确使得java开发变得容易和轻松，一旦有一天出现了内存泄漏或者内存溢出的问题，如果不了解JVM虚拟机是怎么使用内存的，这将会变成一个棘手的问题。下面就来看看JVM是怎么使用内存的吧^-

• 程序计数器

• java虚拟机栈

• 本地方法栈

• java堆

• 方法区

• 运行时常量池

• 直接内存

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），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指令，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来完成。

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（对于多核处理器来说是一个内核）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，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程互不影响，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，这个计数器值则为空，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。

下面就通过一个简单的demo来了解一吧

public class CounterTest {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                }
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                }
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++){
                    new String("hello").intern();
                }
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++){
                    new String("hello").intern();
                }
            }
        }).start();
    }
}

这个demo有四个线程，一个native方法，下面深入字节码看看内部实现

public class com.CounterTest {
  public com.CounterTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #2                  // class java/lang/Thread
       3: dup
       4: new           #3                  // class com/CounterTest$1
       7: dup
       8: invokespecial #4                  // Method com/CounterTest$1."<init>":()V
      11: invokespecial #5                  // Method java/lang/Thread."<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
      14: invokevirtual #6                  // Method java/lang/Thread.start:()V
      17: new           #2                  // class java/lang/Thread
      20: dup
      21: new           #7                  // class com/CounterTest$2
      24: dup
      25: invokespecial #8                  // Method com/CounterTest$2."<init>":()V
      28: invokespecial #5                  // Method java/lang/Thread."<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
      31: invokevirtual #6                  // Method java/lang/Thread.start:()V
      34: new           #2                  // class java/lang/Thread
      37: dup
      38: new           #9                  // class com/CounterTest$3
      41: dup
      42: invokespecial #10                 // Method com/CounterTest$3."<init>":()V
      45: invokespecial #5                  // Method java/lang/Thread."<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
      48: invokevirtual #6                  // Method java/lang/Thread.start:()V
      51: new           #2                  // class java/lang/Thread
      54: dup
      55: new           #11                 // class com/CounterTest$4
      58: dup
      59: invokespecial #12                 // Method com/CounterTest$4."<init>":()V
      62: invokespecial #5                  // Method java/lang/Thread."<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
      65: invokevirtual #6                  // Method java/lang/Thread.start:()V
      68: return
}

为什么需要计数器

可以看到除了native之外，所有方法都有计数器的值。在单线程环境中，所有指令都按顺序执行，并不需要计数器。但在多线程的环境中，因为有了计数器的存在，线程不会在时间片耗尽挂起然后再重新获得时间片时找不到程序上次运行到的地方而重头开始。

那么为什么native方法的计数器的值为空呢？

因为native方法是java通过JNI直接调用本地C/C++库，可以近似的认为native方法相当于C/C++暴露给java的一个接口，java通过调用这个接口从而调用到C/C++方法。由于该方法是通过C/C++而不是java进行实现。那么自然无法产生相应的字节码，并且C/C++执行时的内存分配是由自己语言决定的，而不是由JVM决定的。

参考https://www.cnblogs.com/manayi/p/9290490.html

java虚拟机栈

• （1）周期与线程状态：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。
• （2）描述模型：虚拟机栈描述的是java方法执行的内存模型；
• （3）栈帧内部构造：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（stack frame）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中从入栈到出栈的过程。
• （4）局部变量表构造：局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAdress（指向了一条字节码指令的地址） 在java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（native method stack）与虚拟机栈多发挥的作用是非常相似的，他们之间的区别不过是虚拟机栈执行java（字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的native服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

java堆

• （1）线程状态与内存大小：java堆（java heap）是java虚拟机所管理的内存中最大的一块，java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。
• （2）作用：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。这点在java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配，标量替换优化技术就会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也逐渐变得不是那么“绝对”了。
• （3）内存回收：java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（garbage collected heap）。从内存回收角度来说，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以java堆还可以细分为：新生代和老年代：再细致一点的有Eden空间，from survivor空间，to survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的java堆中可能划分为多个线程私有的分配缓冲区（thread local allocation buffer， TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者是更好的分配内存。
  
  根据java虚拟机的规定，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，就像我们的磁盘一样。在实现时，既可以是实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展的来实现的（通过-Xmx 和 -Xms），如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆上也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区（method area）与java堆一样，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。

运行时常量池

• （1）内部构造：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、接口等信息外，还有一项是常量池（constant pool table），用于存放编译器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是常量池中存放。
  
  java虚拟机对class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式有严格规定，每一个字节用于存储那种数据都必须符合规范上的要求才被虚拟机认可、装载和执行。但对于运行时常量池，Java虚拟机规范未做任何细节的要求。
• （2）特点：运行时常量池相对于class常量池的另一个重要特征就是具备动态性，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多得是便是String的intern()方法。

直接内存

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虚拟机规范定义的内存区域。

在jdk1.4新加入了NIO(new input/output)类，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。