JVM：运行时数据区

一、总览

• Java虚拟机在运行Java程序过程中管理的内存区域，称之为运行时数据区。
• 《Java虚拟机规范》中规定了每一部分的作用。
  

二、程序计数器

1、介绍

• 程序计数器（Program Counter Register）也叫PC寄存器，每个线程会通过程序计数器记录当前要执行的字节码指令的地址。
  
• 在加载阶段，虚拟机将字节码文件中的指令读取到内存之后，会将源文件中的偏移量转换成内存地址。每一条字节码指令都会拥有一个内存地址。
  
• 在代码执行的过程中，程序计数器会记录下一行字节码指令地址。执行完当前指令之后，虚拟机的执行引擎根据程序计数器执行下一行指令。
• 程序计数器可以控制程序指令的进行，实现分支、跳转、异常等逻辑。
• 在多线程执行情况下，Java虚拟机需要通过程序计数器记录CPU切换前解释执行到那一句指令并继续解释运行。

2、程序计数器在运行中会出现内存溢出吗？

• 内存溢出指的是程序在使用某一块内存区域时，存放的数据需要占用的内存大小超过了虚拟机能提供的内存上限。
• 因为每个线程只会存储一个固定长度的内存地址，程序计数器是不会发生内存溢出的。
• 程序员无需对程序计数器做任何处理。

三、栈

1、介绍

• Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）采用栈的数据结构来管理方法调用中的基本数据，先进后出（First In Last Out），每一个方法的调用使用一个栈帧（Stack Frame）来保存。
• Java虚拟机栈随着线程的创建而创建，而回收则会在线程的销毁时进行。由于方法可能会在不同的线程中执行，每个线程都会包含一个自己的虚拟机栈。

2、栈帧的组成部分

（1）局部变量表

局部变量表的作用是运行过程中存放所有的局部变量。

• 局部变量表的作用是在方法执行过程中存放所有的局部变量。编译成字节码文件时就可以确定局部变量表的内容。
  
• 栈帧中的局部变量表是一个数组，数组中每一个位置称之为槽（slot），long和double类型占用两个槽，其他类型占用一个槽。

（2）操作数栈

操作数栈是栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放临时数据的一块区域。

• 操作数栈是栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放中间数据的一块区域。他是一种栈式的数据结构，如果一条指令将一个值压入操作数栈，则后面的指令可以弹出并使用该值。
• 在编译期就可以确定操作数栈的最大深度，从而在执行时正确的分配内存大小。

（3）帧数据

帧数据主要包含动态链接、方法出口、异常表的引用。

• 当前类的字节码指令引用了其他类型的属性或方法时，需要将符号引用（编号）转换成对应的运行时常量池中的内存地址。动态链接就保存了编号到运行时常量池的内存地址的映射关系。
  
• 方法出口指的是方法在正确或者异常结束时，当前栈帧会被弹出，同时程序计数器应该指向上一个栈帧中的下一条指令的地址。所以在当前栈帧中，需要存储此方法出口的地址。
• 异常表存放的是代码中异常的处理信息，包含了异常捕获的生效范围以及异常发生后跳转到的字节码指令位置。
  

（3）栈内存溢出

• Java虚拟机栈如果栈帧过多，占用内存超过栈内存可以分配的最大大小就会出现内存溢出。
• Java虚拟机栈内存溢出时会出现StackOverflowError的错误。

（4）栈的默认大小

如果不指定栈的大小，JVM将创建一个具有默认大小的栈。大小取决于操作系统和计算机的体系结构。

设置大小：

• 要修改Java虚拟机栈的大小，可以使用虚拟机参数 -Xss。
• 语法：-Xss栈大小。
• 单位：字节（默认，必须是1024的倍数）、k或者K（KB）、m或者M（MB）、g或者G（GB）。
• 与-Xss类似，也可以使用-XX:ThreadStackSize调整标志来配置堆栈大小。格式为：-XX:ThreadStackSize=1024。
• Java服务端程序开发时，建议将-Xmx和-Xms设置为相同的值，这样程序在启动之后使用的总内存就是最大内存，而无需向java虚拟机再次申请，减少了申请并分配内存时间上的开销，同时也不会出现内存过剩之后堆收缩的情况。
• -Xmx具体设置的值与实际的应用程序运行环境有关。

HotSpot JVM对栈大小的最大值和最小值有要求：

• Windows（64位）下的JDK8测试最小值为180k，最大值为1024m。
• 局部变量过多、操作数栈深度过大也会影响栈内存的大小。

3、本地方法栈

• Java虚拟机栈存储了Java方法调用时的栈帧，而本地方法栈存储的时native本地方法栈帧。
• 在Hotspot虚拟机中，Java虚拟机栈和本地方法栈实现上使用了同一个栈空间。本地方法栈会在栈内存上生成一个栈帧，临时保存方法的参数同时方便出现异常时也把本地方法的栈信息打印出来。
  
  

四、堆内存

1、介绍

• 一般Java程序中堆内存时空间最大的一块内存区域。创建出来的对象都存在于堆上。
• 栈上的局部变量表中，可以存放堆上对象的引用。静态变量也可以存放堆对象的引用，通过静态变量就可以实现对象在线程之间的共享。
  
• 堆空间有三个需要关注的值，used、total、max。
• used值的是当前已使用的对内存，total是java虚拟机已经分配的可用堆内存，max是java虚拟机可以分配的最大对内存。

arhas中堆内存相关的功能：

• 堆内存used、total、max三个值可以通过dashboard命令看到
• 手动指定刷新频率（不指定默认5秒一次）：dashboard -i 刷新频率（毫秒）。
  
• 如果不设置任何的虚拟机参数，max默认时系统内存的1/4、total默认是系统内存的1/64。在实际应用中一般都需要设置total和max的值。

2、是不是当used=total=max的时候，堆内存就溢出了？

• 不是，堆内存溢出的判断条件比较复杂。

3、堆大小

• 要修改堆的大小，可以使用虚拟机参数-Xmx（max最大值）和-Xms（初始的total）。
• 语法：-Xmx值 -Xms值
• 单位：字节（默认，必须是1024的倍数）、k或者K（KB）、m或者M（MB）、g或者G（GB）。
• 限制：Xmx必须大于2MB，Xms必须大于1MB。

为什么arthas中显示的heap堆大小与设置的值不一样：

• arthas中的heap堆内存使用了JMX技术中内存获取方式，这种方式与垃圾回收器有关，计算的是可以分配对象的内存，而不是整个内存。
  

五、方法区

1、介绍

方法区是存放基础信息的位置，线程共享，主要包含三个部分内容：

• 类的元信息：保存了所有类的基本信息。一般称之为InstanceKlass对象。在类加载阶段完成。
  

• 运行时常量池: 保存了字节码文件中的常量池内容。

• 字符串常量池：保存了字符串常量。
  

方法区是《Java虚拟机规范》中设计的虚拟概念，每款Java虚拟机在实现上都各不相同。Hotspot设计如下：

• JDK7及之前的版本将方法区存放在堆区域中的永久代空间，堆的大小由虚拟机参数来控制。堆的大小由虚拟机参数-XX:MaxPermSize=值来控制。
• JDK8及之后的版本将方法区存放在元空间中，元空间位于操作系统维护的直接内存中，默认情况下只要不超过操作系统承受的上限，可以一直分配。可以使用-XX:MaxMetaspaceSize=值将元空间最大大小进行限制。
  

2、ByteBuddy框架的基本使用方法

ByteBuddy是一个基于Java的开源库，用于生成和操作Java字节码。

• 引入依赖
  
• 创建ClassWriter对象
  
• 调用visit方法，创建字节码数据
  
  

3、字符串常量池

intern：

• JDK6版本中intern方法会把第一次遇到的字符串实例复制到永久代的字符串常量池中，返回的也是永久代里面这个字符串实例的引用。JVM启动时就会把java加入到常量池中。
  

• JDK7及之后版本中由于字符串常量池也在堆上，所以intern()方法会把第一次遇到的字符串的引用放入字符串常量池中。
  

六、直接内存

1、介绍

直接内存（Direct Memory）并不在《Java虚拟机规范》中存在，所以并不属于Java运行时的内存区域。

• 在JDK1.4中引入了NIO机制，使用了直接内存，主要是为了解决一下两个问题：
  • Java堆中的对象如果不在使用要回收，回收时会影响对象的创建和使用。
  • IO操作比如读文件，需要先把文件读入直接内存（缓冲区）再把数据复制到Java堆中。现在直接放入直接内存即可，同时java堆上维护直接内存的引用，减少了数据复制的开销。写文件也是类似的思路。
    

2、直接内存中创建数据

• 要创建直接内存上的数据，可以使用ByteBuffer。
• 语法：ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(size);
• 注意事项：arthas的memory命令可以查看直接内存大小，属性名direct。
  

3、设置大小

如果需要手动设置直接内存的大小，可以使用-XX:MaxDirectMemorySize=大小