JVM运行时数据区

本文个人博客地址：JVM运行时数据区 (leafage.top)

JVM 的运行时数据区分为：

程序计数器；
虚拟机栈；
本地方法栈；
堆；
方法区；

其中堆、方法区是线程共享的，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈是线程隔离的，结构图示如下：

1. 程序计数器：

Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。

为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器（存储指向下一条指令的地址），即将要执行的指令代码，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。

通过 idea 的 debug 模式可以看到具体的信息：

其特点是：

程序计数器是一块较小的内存空间，线程私有的；
记录非本地方法执行时的字节码指令地址，如果是本地方法，值为 undefined；
唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域；

2. 虚拟机栈：

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每一个Java虚拟机线程创建的同时会创建一个独自的虚拟机栈，其内部保存一个个栈帧（Stack Frame）对应着一次次方法调用。

栈帧：

线程执行方法的内容保存在栈帧中，每一个方法都有自己的栈帧，而对于多层嵌套调用的方法，是根据方法的调用链，向栈中设置栈帧的（栈的操作都是先入，后出），示例如下所示：

同样，通过代码 debug 可以看到其效果：

每个栈帧（Stack Frame）中存储着：

局部变量表（Local Variables）；
操作数栈（Operand Stack）；
动态链接（Dynamic Linking）：指向运行时常量池的方法引用；
方法返回地址（Return Address）：方法正常退出或异常退出的地址一些附加信息；
附加信息

栈帧结构示例图如下所示：

3. 本地方法栈：

什么是本地方法？

答：由其它语言编写的，编译成和处理器相关的机器代码。

本地方法保存在动态链接库中，即.dll(Windows系统)文件中，格式是各个平台专有的（Java是平台无关的，但是本地方法不是，这也是为什么 JDK 分 Linux、Windows、MacOS版本）

为什么要使用本地方法？

答：使用本地方法的原因有以下几点：

与 Java 环境外交互：有时 Java 应用需要与 Java 外面的环境交互；
与操作系统交互：JVM 支持 Java 语言本身和运行时库，但是有时仍需要依赖一些底层系统的支持。通过本地方法，我们可以实现用 Java 与实现了 jre 的底层系统交互， JVM 的一些部分就是 C 语言写的。
Sun‘s Java：Sun的解释器就是C实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。比如：类 java.lang.Thread 的 setPriority() 的方法是用Java 实现的，但它实现调用的是该类的本地方法 setPrioruty()，该方法是C实现的，并被植入 JVM 内部。

本地方法栈的特点：

线程私有，允许线程固定或者可动态扩展的内存大小（同虚拟机栈一样）：
- 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；
- 如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展（HotSpot虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的），当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常；
通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区；
并不是所有 JVM 都支持本地方法。因为《Java 虚拟机规范》并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等；
HotSpot虚拟机中，虚拟机栈和本地方法栈合二为一；

4. 堆：

对于大多数应用，Java 堆是 Java 虚拟机管理的内存中最大的一块，被所有线程共享。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数据都在这里分配内存。

为了进行高效的垃圾回收，虚拟机把堆内存逻辑上划分成三块区域，目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

老年代的内存大小和年轻代的大小默认比例为 2：1，老年代默认的最小值为：操作系统运行内存/64，默认最大内存：操作系统运行内存/4；

这个我们可以通过代码，来看一看是否和描述的一致：

public class HeapMemory {

    public static void main(String[] args) {
        //返回 JVM 堆大小
        long initalMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
        //返回 JVM 堆的最大内存
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;

        System.out.println("-Xms : " + initalMemory + "M");
        System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");

        System.out.println("系统内存大小：" + initalMemory * 64 / 1024 + "G");
        System.out.println("系统内存大小：" + maxMemory * 4 / 1024 + "G");
    }
}

运行结果如下：

D:\env\jdk11\bin\java.exe ...
-Xms : 250M
-Xmx : 3996M
系统内存大小：15G
系统内存大小：15G

说到堆，那就离不开一个重要的概念，垃圾回收，JVM 垃圾回收针对不同的分代年龄，有不同的执行策略或算法。

什么是 Minor GC、Major GC、Mixed GC、Full GC？

答：在进行 GC 时，并非每次都对堆内存（新生代、老年代；方法区）区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。

针对 HotSpot VM 的实现，它里面的 GC 按照回收区域又分为两大类：

部分收集：不是完整收集整个 Java 堆的垃圾收集。其中又分为：
- 新生代收集（Minor GC）：只是新生代的垃圾收集；
- 老年代收集（Major GC）：只是老年代的垃圾收集；
- 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集（目前只有 G1 GC 会有这种行为）；
整堆收集（Full GC）：收集整个 Java 堆和方法区的垃圾；

5. 方法区：

方法区存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据；

很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”（PermanentGeneration），或将两者混为一谈。本质上这两者并不是等价的，因为仅仅是当时的HotSpot虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样使得HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。

方法区随着 JDK 的发展，进行了几次大的变更，最重要的变更发生在 JDK6、JDK7、JDK8 ，其变化为：

JDK6 --> JDK7: 将字符串常量池，静态变量移出老年代，放到堆中；
JDK7 --> JDK8: 将老年代废弃，使用元空间实现，同时将数据存储变更为使用物理内存，不在占用 JVM 内存空间；

变更示例如下图所示：

为什么要替换永久代，使用元空间？

答：原因有以下几点：

为永久代设置空间大小是很难确定的；

在某些场景下，如果动态加载类过多，容易产生 Perm 区的 OOM。如果某个实际 Web 工程中，因为功能点比较多，在运行过程中，要不断动态加载很多类，经常出现 OOM。而元空间和永久代最大的区别在于，元空间不在虚拟机中，而是使用本地内存，所以默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制

对永久代进行调优较困难；