【Java面试】二十、JVM篇（上）：JVM结构

1、JVM

Java源码编译成class字节码后，JVM负责class字节码的处理。不同操作系统下的JVM，将字节码处理成对应操作系统下的二进制文件，从而实现一次编译，到处运行。能到处运行，是因为不同操作系统有不同的JVM，也即编译后的class字节码和操作系统之间，隔着一个JVM在干活儿。

简单的理解，JVM就是Java二进制字节码的运行环境，是JDK包下包含的一些代码，像一个虚拟的计算机一样处理着class字节码。

JVM有两个最大的亮点：

• 处理class字节码，实现一次编译，到处运行
• 自动内存管理，垃圾回收机制，创建的对象，用完后不用手动回收

JVM的组成：

2、程序计数器

线程私有的，每个线程各有一份，内部保存的字节码的行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。

如上，线程1 执行字节码从第0行到第10行后，CPU时间片用完，线程1的程序计数器记录下当前行号。CPU的时间片分给了线程2 ，线程2执行到第9行后，CPU时间片用完。线程1再次抢到时间片，继续执行，此时，根据线程1的程序计数器，CPU就知道该从第10行继续往下执行。

3、堆

• 堆区，线程共享
• 保存着创建出来的对象
• use、total、max，use == max 后，无法再分配空间，堆内存溢出

堆中有年轻代和老年代。年轻代有三部分，伊甸园区和两块大小相同的幸存者区。根据JVM策略，新创建的对象在伊甸园区，伊甸园区满了以后，触发Young GC，GC后或者的对象，复制到幸存者区，后面每GC一次，活着的对象年龄加一（对象头里存着年龄），对象GC年龄到达阈值（如15）后，晋升到老年代。

元空间里存类的信息、静态变量、常量、编译后的字节码信息（InstanceKlass对象（c++））。对JDK7和8，其位置变化：

• JDK7及以前，方法区在堆区的永久代空间里
• JDK8及以后，永久代被移除，用元空间代替，方法区在元空间，而元空间在操作系统的直接内存里，理论上可以一直分配

因为永久代/方法区或者说后来的元空间，存储的主要是一些类信息和常量，需求开发，加载的类越来越多，这个空间不可控，移除永久代，在本地内存放个元空间，可以防止OOM

4、栈

栈，即每个线程运行时需要的内存空间，保存着该线程方法调用的基本数据，先进后出，其中，每一个调用的方法用一个叫栈帧的东西存。

4.1 垃圾回收是否涉及栈内存

垃圾回收处理的主要是堆内存，对于栈内存，栈帧弹栈后，内存就会释放

4.2 栈内存分配越大越好吗

默认1024k，栈帧过大会导致线程数变少，机器总内存为512m，目前能活动的线程数则为512个，如果把内存改为2048k，则可活动的线程数上限在栈内存方面就会减半

4.3 方法内的局部变量是否线程安全吗

在方法的作用范围之内，是线程安全的。出了方法，被怎么使用就不一定了。如下：

每个线程过来，都会在自己的栈里创建一个m1方法对应的栈帧，栈帧里存着局部变量sb，因此线程安全。

对m2方法来说，局部变量sb是传过来的，那可能就有线程安全问题，如上面main线程中在操作sb，新开的一个线程也在操作sb。同理，m3方法，将局部变量sb return，后面可能被一个成员变量接收，但后面本质上也不关局部变量的事了

4.4 栈内存溢出的情况

• 栈帧过多导致栈内存溢出，如递归调用

public static void m1() {m1();
}

• 栈帧过大导致栈内存溢出

4.5 堆和栈的区别是什么

• 栈内存一般会用来存储局部变量和方法调用，但堆内存是用来存储Java对象和数组的
• 堆会GC垃圾回收，而栈不会
• 栈内存是线程私有的，而堆内存是线程共有的
• 两者异常错误不同，但如果栈内存或者堆内存不足都会抛出异常，栈空间不足：Java.ang.StackOverFlowError，堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError.

5、方法区

• 方法区和堆一样，各个线程共享
• 主要存储类的信息（InstanceKclass对象）、运行时常量池
• 虚拟机启动的时候创建，虚拟机关闭的时候释放
• 方法区的内存空间不够时，抛异常OutOfMemoryError：Metaspace
• 方法区是一个概念，不同版本的JDK有不同的实现，对JDK7来说，永久代是其对方法区的落地实现（且此时永久代在堆区），对JDK8来说，则给方法区换了一种实现：元空间（元空间在本地内存）

5.1 常量池

javap查看一个类是字节码的结构信息：可以看到类的基本信息、常量池、方法的定义：



常量池可以看作是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息

5.2 运行时常量池

上面提到，常量池是class文件中的，当这个类被加载，它的常量池信息就会放入到运行时常量池，并发里面的符号地址变为真实地址

常量池和运行时常量池的区别：

【区别】

6、直接内存

直接内存（操作系统分给JVM进程的内存之外的内存），不属于JVM内存，不由JVM进行管理。在进行NIO操作时，用于数据缓冲区，其分配回收成本高，但读写性能好。常规IO复制文件流程：

NIO复制文件流程：这块直接内存系统和Java代码都可以直接访问，少了一次缓冲区的复制操作

直接内存主要通过 java.nio 包下的 ByteBuffer 类来进行分配和使用。

ByteBuffer.allocateDirect(int capacity)

直接内存可以减少数据在 Java 堆和操作系统内存之间的拷贝次数，从而提高 I/O 的效率，常用于文件读写

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