Java虚拟机三 Java堆和栈

Java堆是和Java应用程序关系最为紧密的内存空间，几乎所有的对象都存放在堆中。并且堆是完全自动化管理的。

根据垃圾回收机制的不同，Java堆有可能有不同的结构。最为常见的一种就是将整个Java堆分为新生代和老年代。其中，新生代存放新生对象或者年龄不大的对象。

老年代存放老年对象。新生代可能分为eden区、s0区、s1区，s0和s1也被成为from和to区域，他们是两块大小相等，可以互换角色的内存空间。

在多数情况下，对象首先分配在eden区，在一次新生代回收后，如果对象还存活，则会进入s0或者s1，之后，每经过一次新生代回收，对象如果存活，他的年龄就会

加1.当对象的年龄达到一定条件后，就会进入老年代。

Java栈

Java栈是一块线程私有的内存空间。Java栈是和线程执行紧密相关的。线程执行的基本行为是函数调用，每次函数调用的数据都通过Java栈传递的。

Java栈中主要保存的是栈帧。每一次函数调用，都会有一个对应的栈帧被压入Java栈，每一个函数调用结束，都会有一个栈帧被弹出Java栈。

当函数返回时，栈帧从Java栈中被弹出。Java方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令；另外一种是抛出异常。

在一个栈帧中，至少要包含局部变量表、操作数栈和帧数据区几个部分。

由于每次函数调用都会产生对应的栈帧，从而占用一定的栈空间，因此如果栈空间不足，那么函数调用就无法继续下去。当请求的栈深度大于最大可用栈深度时，系统就

会抛出StackOverflowError的栈溢出错误。

Java虚拟机提供了参数-Xss来指定线程的最大栈空间，这个参数也直接决定了函数调用的最大深度。

下面的案例是一个递归调用，函数没有出口，代码会出现栈溢出错误，程度打印了最大的调用深度，使用参数-Xss256K执行代码，结果为2767

public class TestStackDeep {

    private static int count = ;

    public static void recursion() {
        count++;
        recursion();
    }
    public static void main(String[] args) {
        try {
            recursion();
        }catch (Throwable e) {
            System.out.println("deep of calling = " + count);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

结果如下

deep of calling =
java.lang.StackOverflowError
    at test1.TestStackDeep.recursion(TestStackDeep.java:)
    at test1.TestStackDeep.recursion(TestStackDeep.java:)
    at test1.TestStackDeep.recursion(TestStackDeep.java:)
    at test1.TestStackDeep.recursion(TestStackDeep.java:)
    at test1.TestStackDeep.recursion(TestStackDeep.java:)

可以看到在大约2767次调用后，发生了栈溢出的错误，通过增大-Xss的值，可以获得更高层次。

函数嵌套调用的层次在很大程度上由栈的大小决定，栈越大，函数可以支持的嵌套调用次数就越多。

局部变量表

局部变量表是栈帧的重要组成部分，用于保存函数的参数以及局部变量。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。

由于局部变量表在栈帧之中，如果函数的参数和局部变量较多，会使得局部变量表膨胀，从而每一次函数调用就会占用更多的栈空间，最终导致函数的嵌套次数减少。

使用 jclasslib（JClassLib不但是一个字节码阅读器而且还包含一个类库允许开发者读取,修改,写入Java Class文件与字节码）工具可以进一步查看函数的局部变量信息。

栈帧中的局部变量表中的槽位可以重用，如果一个局部变量过了其作用域，那么其作用域后申明的新的局部变量就很有可以会复用其槽位，从而节省资源。

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是不会被回收的。

局部变量对垃圾回收的影响案例：

public void localvarGc1(){
  byte[] a = new byte[**];
  System.gc();
}
public void localvarGc2(){
  byte[] a = new byte[**];
  a = null;
  System.gc();
}
public void localvarGc3(){
  {
    byte[] a = new byte[**];
   }
   System.gc();
}
public void localvarGc4(){
  {
       byte[] a = new byte[**];
  }
  System.gc();
}
public void localvarGc5(){
  localvarGc1();
  System.gc();
}
public static void main(String [] args){
    LocalVarGC ins = new LocalVarGC();
    ins.localvarGc1();
}

上述代码中，每一个localvarGcN()函数都分配了一块6M的堆空间，并使用局部变量引用了这块空间。

在localvarGc1()中，在申请空间后，立即进行垃圾回收，由于byte数组被变量a引用，因此无法回收这块空间。

在localvarGc2()中，在垃圾回收之前，先将变量a置为null，使byte数组失去强引用，所以可以顺利回收byte数组。

对于localvarGc3()，在进行垃圾回收之前，先使局部变量a失效，虽然变量a已经离开工作域，但是变量a依然存在于局部变量中，并且也指向这块byte数组，所以byte数组依然无法被回收。

对于localvarGc4()， 在垃圾被回收之前，不仅是变量a失效，更是申明了变量c，使变量c服用了变量a的字，由于变量a此时被销毁，所以垃圾回收器可以顺利回收byte数组。

对于localvarGc5()， 它首先调用了localvarGc1()，很明显，在localvarGc1()中，并没有释放byte数组，但是在localvarGc1()返回后，他的栈帧被销毁，栈帧中所有的局部变量也被销毁，所以byte数组失去引用，在localvarGc5()的垃圾回收中被回收。

可以使用参数 -XX:+PrintGC 执行上述几个函数，在输出的日志中，可以看到垃圾回收前后堆的大小，进而判断byte数组是否被回收。

操作数栈

     操作数栈也是栈帧中重要的内容之一，主要用于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。

操作数栈也是一个先进先出的数据结构，只支持入栈和出栈两种操作。许多Java字节码指令都需要通过操作数栈进行参数传递。

帧数据区

除了局部变量表和操作数栈外，Java栈帧还需要一些数据来支持常量池解析、正常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，在帧数据区中保存着访问常量池的指针，方便程序访问常量池。

此外，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，并让调用者函数继续执行下去。对于异常处理，虚拟机必须有一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码，因此，异常处理表也是帧数据区中最重要的一部分。

栈上分配

   栈上分配是Java虚拟机提供的意向优化技术，对于那些线程私有的对象，可以将 它们打散分配在栈上，而不是分配在堆上。分配在栈上的好处是可以在函数调用结束后自行销毁，而不需要垃圾回收器的介入，从而提高系统的性能。

栈上分配的一个技术基础是进行逃逸分析。逃逸分析的目的是判断对象的作用域是否有可能逃逸出函数体。

对于大量的零散小对象，栈上分配提供了一种很好的对象分配优化策略，栈上分配速度快，并且可有有效避免垃圾回收带来的负面影响，单由于和堆空间相比，栈空间较小，所以大对象无法也不适合在栈上分配。

方法区

和Java堆一样，方发区是一块所有线程共享的内存区域。他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可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出的错误。

在JDK1.6和JDK1.7中，方法区可以理解为永久区(Perm)。永久区可以使用参数-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize指定，默认情况下，-XX:MaxPermSize为64MB。一个大的永久区可以保存更多的类信息。如果系统使用了一些动态代理，那么有可能在运行时

生成大量的类。

在JDK1.8中，永久区已经被彻底移除。取而代之的是元数据区，元数据区的大小可以使用参数-XX:MaxMetaspaceSize指定，这是一块堆外的直接内存。与永久区不同，如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。