JAVA基础—JVM内存结构基础需知

1.JVM内存结构

JVM内存结构分为5个区域：方法区，虚拟机栈，本地方法栈、堆、程序计数器。

1.方法区（Method Area）：用于存储类的结构信息、常量、静态变量、即使编译器编译后的代码等数据。方法区也是所有线程共享的区域。
2. 堆（Heap）：堆时Java虚拟机管理的最大的一块内存区域，用于存储对象实例。Java堆时所有线程共享的内存区域，在Jvm启动时就被创建。Java堆可以分为新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）等区域，用于实现垃圾回收。
3. 虚拟机栈（VM Stack）:每个线程在创建时会被分配一个虚拟机栈，用于存储方法调用的栈帧。栈帧包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等信息。在方法调用时，会创建一个新的栈帧压入虚拟机栈，并在方法返回时将栈帧出栈。
4. 本地方法栈（Nactive Method Stack）：类似于虚拟机栈，用于支持本地方法（Native Method）的调用
5. 程序计数器（Program Counter Register）：是一块较小的内存空间，可以看作时当前线程所执行的字节码的行号指示器。在多线程环境下，每个线程都有一个独立的程序计数器，用于唇齿当前线程正在执行的指令地址。

2.方法区（Method Area）—线程共享

在进行类加载时，方法区会存储类的元数据信息。方法区内的类卸载很苛刻，所以正常是认为方法区内没有垃圾回收的。
类的卸载通常需要满足一定的条件，包括：

• 类实例的引用数量为零：即没有任何类的实例被引用，包括静态变量对该类的引用。
• 类的ClassLoader被卸载：ClassLoader负责加载类到内存中，当ClassLoader被卸载时，它加载的类也会被卸载。
• 没有被其他类引用：即没有其他类通过反射等方式引用该类。

在方法区，还有一个空间，运行时常量池（Runtime Constant Pool）:是方法区的一部分，用于存储编译期生成的各种字面量和符号引用。

3.堆（Heap）—线程共享

堆（Heap）是Java虚拟机管理机管理的最大一块内存区域，用于存储对象实例。堆内存是所有线程共享的内存区域，在JVM启动时就被创建。在堆内存中，会被动态地分配内存，用于存储新创建的对象。

• 堆内存通常被划分为几个不同的区域，包括：
  1. 新生代（Young Generation）：新创建的对象会被分配到新生代中。新生代通常使用复制算法（Copying），将内存分为两块，一块为Eden区，另一块有两个 Survivor 区，通常称为 Survivor0 和 Survivor1（或者叫做 From 区和 To 区）。
     Survivor两个区是对称的，没有先后关系，所以在新生代的垃圾回收过程中，对象会从 Eden 区复制到其中一个 Survivor 区，然后经过多次垃圾回收后仍然存活的对象会被移动到另一个 Survivor 区。最终，经过多次垃圾回收后仍然存活的对象会被移动到老年代。因此，同一个 Survivor 区可能同时存在来自 Eden 区和另一个 Survivor 区的对象，而复制到老年代的对象只有从第一个 Survivor 区过来的对象。
  2. 老年代（Old Generation）：老年代主要存储一些较大的、存活时间较长的对象。在新生代经过多次垃圾回收后仍然存活的对象会被移动到老年代。老年代通常使用标记-清除（Mark-Sweep）算法或标记-整理（Mark-Compact）算法进行垃圾回收。

• 在堆中的字符串常量池（String Pool）

  字符串常量池用于存储字符串常量。在Java中，字符串常量通常在编译器就确定了其值，并且会被放入到字符串常量池中。当程序中需要使用相同内容的字符串常量时，虚拟机会直接从字符串常量池中获取，而不是创建一个新的字符串对象。
  举个例子，对于JVM底层，String str = new String(“test”)创建对象流程：

  1. “test”字符串：JVM会首先检查字符串常量池是否已经存在相同的字符串，如果存在则直接返回该对象的引用，否则就在字符串常量池中创建一个新的字符串对象。
  2. ‘new String(“test”)’这部分代码会在堆内存中创建一个新的字符串对象，即使字符串常量池已经存在了“test”的字符串常量。但因为使用了‘new’关键字，明确要求创建一个新的对象，而不是直接使用常量池中已有的对象。
     因此，这一行代码会生成两个对象。而日常我们创建字符串常量值，直接使用String bb=“bbb”，这种创建方式只会在字符串常量池创建一个对象。
     它和普通的堆内存有一些区别，例如，字符串常量池中的字符串对象是不可变的，而且具有一定的缓存机制，以提高字符串对象的复用率和性能。

4.JAVA虚拟机栈（VM Stack）—线程私有

首先知道：栈后进先出
虚拟机栈用于存储方法调用的信息，包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等。

1. 方法调用：每次方法调用时，都会创建一个新的栈帧压入虚拟机栈，方法执行结束后，对应的栈帧会被弹出。

   	  public static void main(String[] args) {int a = 1;int b = 2;int sum = add(a, b);System.out.println("sum: " + sum);}public static int add(int a, int b) {return a + b;}
   

   mian方法在jvm中的执行可以用以下步骤来描述：

   1. 调用 main 方法，创建 main 方法的栈帧。
   2. 在 main 方法中声明局部变量 a 和 b，并将值赋给它们。
   3. 调用 add 方法，创建 add 方法的栈帧。
   4. 在 add 方法中将 a 和 b 相加，并将结果返回。
   5. add 方法执行结束，其栈帧被弹出，返回到 main 方法。
   6. 在 main 方法中将 add 方法返回的结果存储到 sum 变量中。
   7. 打印 sum 的值。
   8. main 方法执行结束，其栈帧被弹出，程序结束执行。

2. 局部变量：每个栈帧中都包含一个局部变量表，用于存储方法中的局部变量。局部变量表中存储的是基本数据类型和对象引用，不存储对象本身。
   在 Java 中，对象的引用通常是存储在栈上的，而对象实例则存储在堆上。当我们创建一个对象时，实际上是在堆上分配了一块内存来存储对象的实例数据，并返回一个引用指向这个对象。这个引用会被存储在栈上，作为对堆中对象的引用。

3. 操作数栈：每个栈帧都包含一个操作数栈，用于存储方法执行过程中的操作数。操作数栈用于执行方法的运算操作，如加减乘除等。

4. 异常处理：虚拟机栈也用于异常处理。当方法出现异常时，虚拟机会查找虚拟机栈中的异常处理器，以确定如何处理异常。

虚拟机栈的大小可以通过 JVM 的启动参数来指定，例如 -Xss 参数用于指定每个线程的栈大小。虚拟机栈的大小会影响方法调用的深度，如果方法调用的层级过深，可能会导致栈溢出异常。

5. 本地方法栈（Native Method Stack）—线程私有

本地方法栈与虚拟机栈类似，用于支持Java调用本地方法（Native Method）的过程。本地方法栈也是线程私有的，每个线程在调用本地方法时都会创建一个对应的本地方法栈。
本地方法栈与虚拟机栈区别在于，虚拟机栈用于执行Java方法的Java字节码，而本地方法栈用于执行本地方法的机器码（Native Code）。本地方法是使用本地语言（如C、C++）编写的方法，通过Java的本地接口（JNI）调用。
本地方法栈与虚拟机栈的大小可以分别设置，并且本地方法栈的大小可能会影响到本地方法的调用。如果本地方法栈空间不足，可能会导致栈溢出异常。

在Java中，Native指的是使用其他编程语言（如C、C++）等编写的方法，这些代码通过Java的本地接口（JNI、Java Native Interface）来与Java代码进行交互。通过使用Native方法，Java程序可以调用本地系统的功能或者特定的硬件设备，从而实现更高级的功能和性能优化。
使用 Native 方法需要在 Java 中声明 Native 方法，并使用 native 关键字修饰，然后通过 JNI 在本地代码中实现这些 Native 方法。在运行时，Java 虚拟机会加载本地库，并通过 JNI 调用本地方法。需要注意的是，使用 Native 方法会降低程序的可移植性，并增加程序的复杂度，因此应该谨慎使用。

6. 程序计数器（Program Counter Register）—线程私有

程序计数器是一块较小的内存空间，也可以称为寄存器，在Java虚拟机中用于存储当前正在执行的字节码指令的地址或索引。在多线程环境下，每个线程都有一个独立的程序计数器，用于指示当前线程执行的位置。
在Java虚拟机中，程序计数器不会发生内存溢出（OutOfMemoryError）的情况，因为它只是一个指示器，并不会存储任何对象或数据。

程序计数器在不同情况下记录的内容略有不同：

1. 执行Java方法时：程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，即程序计数器存储的是下一条要执行的指令在方法内的偏移量。这样，当线程中断或切换后再恢复执行时，可以准确地知道接下来应该执行哪条指令。
   举例：

   	public class Example {public static void main(String[] args) {int a = 1;int b = 2;int sum = add(a, b);System.out.println("sum: " + sum);}public static int add(int a, int b) {return a + b;}
   }
   

   假设 add 方法的字节码指令如下（简化表示）：

   1. 将局部变量 a 压入操作数栈
   2. 将局部变量 b 压入操作数栈
   3. 执行加法操作
   4. 将结果存入局部变量表
   5. 返回结果
      当程序执行到 add 方法时，程序计数器会记录当前执行的位置，比如可能会记录为第一个字节码指令的地址。随着方法的执行，程序计数器会逐步指向下一条要执行的字节码指令，以便虚拟机可以准确地控制方法的执行流程。

2. 执行Native方法时：由于Native方法是由本地语言编写地，不是Java字节码，因此程序计数器通常是空的或者。

7.小结

JVM的内存结构只是JVM中很基础的一部分，但了解JVM的结构，对于我们学习JAVA的基础类很有帮助，比如说引用对象(栈)和实例对象（堆）的存储区域、String在JVM的存特殊设计（字符串常量池）、JAVA类初始化元数据加载的空间（方法区）、基本数据类型存储空间（栈）、静态变量（方法区）等等。
下面是jvm结构的总结：