Java虚拟机学习笔记（一）

Java虚拟机运行时数据区域

Java虚拟机将其所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有着各自的用途，以及创建和销毁时间。其中有一些会随着虚拟机启动而启动，随着虚拟机退出而销毁；有些则是与线程一一对应，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。划分的几个运行时区域如下：

1.    PC寄存器

Java虚拟机支持多条线程同时执行，每条线程都有自己的PC寄存器（program counter register）。PC寄存器用来指示当前线程所执行字节码指令的地址，说白了就是记录各个线程执行的位置。如果正在执行的是Native方法，PC寄存器的值则为空（undefined）。

2.    Java方法栈

与PC寄存器一样，Java方法栈也是线程私有的。这个栈的生命周期与线程相同，与线程同时创建，线程结束也会随着销毁。Java方法栈用于存储栈帧（Frame，栈帧是方法运行时的基础数据结构，包括局部变量表、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结束完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。（栈容量设置：-Xss设定）

Java虚拟机规范中，定义了两种异常情况：

（1）如果线程请求分配的栈深度超过Java方法栈允许的最大深度，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。

（2）如果Java方法栈可以动态扩展，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OutOfMemoryError异常。

3. 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈的作用类似。虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机执行Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError异常和OutOfMemoryError异常。

4. Java堆

Java虚拟机中，Java堆（Java heap）是被所有线程共享的一块区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的是存放类实例对象和数组对象。几乎所有的类实例对象和数组对象都在这里分配内存。是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。(存储对象实例数据)

Java堆可以是固定大小的，也可以是扩展的。当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现，通过参数-Xmx和-Xms设置堆的最小值和最大值。

Java堆可能抛出异常的情况：堆中没有足够的内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemeroryError异常。

5. 方法区

与Java堆一样，方法区（method area）也是各个线程共享的区域，在虚拟机启动时创建。主要是用于存储每一个类的结构信息，例如，运行时常量池（runtime constant pool）、字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容。还包括一些在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法。(存储对象类型数据)。配置方法区大小使用参数：-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize。

方法区可能抛出异常的情况：方法区的内存空间不能满足内存分配需求时，Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError：PermGenspace的异常。

Java虚拟机加载class文件后，其中Java类会被存储到方法区（Method Area）。实际运行时，虚拟机会执行方法去内的代码。

6. 直接内存

NIO类是基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）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进行操作。NIO操作需要使用到直接内存（Direct Memory）。

直接内存：可通过-XX：MaxDirectMemorySize调整大小。内存不足时抛出OutOfMemoryError或者OutOfMemoryError:Direct buff memory。

6. 运行时常量

运行时常量池（runtime constant pool）是方法区的一部分。在加载类和接口到虚拟机后，就在方法区创建对应的运行时常量池。它是class文件中每一个类或接口的常量池表的运行时表示，它包含了若干种不同的常量。用于存放在编译期间生成的各种字面量个符号引用。

可能抛出异常的情况：在创建类和接口的运行时常量池时，当常量池所需的内存空间超过方法区所能提供的最大值时，抛出OutOfMemoryError异常。

7. 栈帧结构

栈帧存储于Java虚拟机栈中。栈帧是一种数据结构，用于存储方法运行时的数据，包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个栈帧都有自己的局部变量表、操作数栈、和指向当前方法所属的类的运行时常量池的引用。栈帧随着方法调用而创建，随方法结束而销毁。每一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栈中入栈、出栈的过程。

7.1 局部变量表

局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放实例方法的”this指针”、方法参数以及方法内部定义的局部变量。在Java程序编译为Class文件时，就在方法的Code属性的max_locals数据项中确定了该方法所需要分配的局部变量表的最大容量。

一个局部变量可以保存一个类型为boolean、byte、char、short、int、float、reference、和retuanAddress的数据。两个局部变量可以保存一个类型为long或者double的数据。这么看来，局部变量表等价于一个数组，并且可以用正整数来索引。出了long、double值需要用两个数组单元来存储之外，其他基本类型以及引用类型的值均占用一个数组单元。（javap命令编译出来的class文件，方法里面的局部变量是用槽（slot）来表示的，double两个槽，int一个槽）。

因此，在32位的HotSpot中基本类型将占用4个字节；而在64位的HotSpot中，基本类型将占用8个字节。

参考资料：

【1】 周志明. 深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第二版）【M】.北京：机械工业出版社，2013

【2】爱飞翔，周志明（译）.Java虚拟机规范（Java SE 8版）【M】.北京：机械工业出版社，2015.