JVM系列 运行时数据区

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第一章 运行区实验

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前言

JVM（Java虚拟机）运行区是Java程序在运行过程中被JVM所管理的内存区域。它包括了Java程序运行时的堆（Heap）、栈（Stack）、方法区（Method Area）、本地方法栈（Native Method Stacks）、程序计数器和直接内存（Direct Memory）等部分。

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一、堆（Heap）

堆（Heap）是Java程序运行时用于动态分配内存的区域，也是Java垃圾收集器进行垃圾回收的主要区域。堆内存被所有线程共享。

以JDK8为例，堆（Heap）用来存放对象，几乎所有（逃逸分析技术，栈上分配、标量替换）对象都在堆上分配，将Java堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存，堆中没有内存分配对象，并且无法扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

堆（Heap）一般管理新生代/Young区 、年老代（old区） 、String字符串常量池。

1.1、新生代/Young区

新生代里包含Eden区 与 Survival区2个区。

1.1.1、Eden区

Eden区位于Java堆的年轻代，是新对象分配内存的地方，由于堆是所有线程共享的，因此在堆上分配内存需要加锁。而Sun JDK为提升效率，会为每个新建的线程在Eden上分配一块独立的空间由该线程独享，这块空间称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer）。在TLAB上分配内存不需要加锁，因此JVM在给线程中的对象分配内存时会尽量在TLAB上分配。如果对象过大或TLAB用完，则仍然在堆上进行分配。如果Eden区内存也用完了，则会进行一次Minor GC（young GC）。

1.1.2、Survival区

Survival区与Eden区相同都在Java堆的年轻代。Survival区有两块，一块称为from区，另一块为to区，这两个区是相对的，在发生一次Minor GC后，from区就会和to区互换。在发生Minor GC时，Eden区和Survival from区会把一些仍然存活的对象复制进Survival to区，并清除内存。Survival to区会把一些存活得足够旧的对象移至年老代。

1.2、年老代（old区）

年老代里存放的都是存活时间较久的，大小较大的对象，因此年老代使用标记整理算法。当年老代容量满的时候，会触发一次Major GC（full GC），回收年老代和年轻代中不再被使用的对象资源

二、虚拟机栈（Stack）

每个线程在创建时都会创建一个私有的JVM栈。每个方法执行的时候都会创建一个栈帧，用于存储局部变量、操作数栈、常量池引用等信息。如下图，栈帧1、栈帧2、栈帧3、栈帧N。

2.1、栈顶缓存技术

解释执行状态下，将访问最频繁的数据（程序计数器、栈顶）缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率。

2.2、溢出

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许深度，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展 ，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

发生StackOverflowError异常，使用死循环递归代码可以复现。

可以使用参数-Xss选项来设置线程的最大栈空间，例如-Xss265k

2.3、栈帧

栈的存储单位为栈帧，线程上正在执行的一个方法对应一个栈帧，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。

每个栈帧包含五部分，分别包括局部变量表、操作数栈、动态链表（指向运行时常量池的方法引用）、方法返回地址和一些额外信息。

2.3.1、局部变量表（local variables）

• 局部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，这些数据类型包括各种基本数据类型、对象引用（reference），以及returnAddress类型。

• 由于局部变量表是线程的私有数据，不存在线程的安全问题

• 局部变量表所需容量大小在编译器确定下来的，并保存在方法的Code属性的maximum local variables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。

• 局部变量表的变量只在当前方法调用中有效的，当方法调用结束后，随着方法栈帧的消耗，局部变量表也会随之销毁。

• 局部变量表的最基本存储单位是Slot（变量槽），32位以内的类型只占用一个slot（包括returnAddress类型，引用类型），64位的类型（long和double）占用两个slot。

• 每一slot都分配一个访问索引，占用两个slot的变量，只需要使用前一个索引即可

• 构造方法或者实例方法（非static），该对象引用this将会存放在index为0的slot处

• 局部变量表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。

2.3.2、操作数栈（Operand Stack LIFO）

• 编译后 .Class文件的Code属性的max_stacks数据记录操作数栈的最大深度
• 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，即入栈或者出栈，使用数组实现
• 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。

2.3.3、动态链接

运行期间把常量池中的符号引用转换成直接引用的过程，叫做动态链接；
每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态链接。

2.3.4、方法返回地址

方法返回地址存储的是调用该方法的pc寄存器的值。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。

2.3.5、额外信息

Java虚拟机规范，允许虚拟机实现，在栈帧之中增加一些规范里没有描述的信息，例如与调试、性能收集相关的信息。

三、方法区（MetaData Space）

方法区(MetaData Space 元空间)/Non-Heap，用于存储已被JVM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。

3.1、方法区和永久代的关系

在JDK1.8之前，习惯把方法区称为“永久代”。HotSpot 虚拟机在1.7之前使用永久代来管理（实现）方法区，使得jvm的垃圾回收器能像管理堆内存一样来管理永久代这部分内存，而不用专门为方法区编写内存管理代码。但这种设计使得虚拟机更容易出现内存溢出问题，而不像J9和JRockit只要没有触碰到进程可用内存的上限（32位4GB），就没有问题。
JDK1.7把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出（主要剩余类型信息）
JDK1.8完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样，在本地内存中实现的元空间方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

四、本地方法栈（Native Method Stacks）

Native Method Stacks 为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

五、程序计数器

程序计数器，当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解释器工作时，通过改变计数器的值，执行下一条指令，此内存是JVM规范中唯一一个没有OutOfMemoryError的区域。

六、直接内存（Direct Memory）

DM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。但是这部分内存也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，例如：NIO 中的 DirectByteBuffer 直接操作堆外内存，避免在Java堆和Native堆中来回复制数据。

同时也可以关注零拷贝(DMA)技术的应用。

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总结

这些内存区域的管理和优化对于Java程序的性能和可靠性至关重要。