JVM 2：内存区域本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路 1.运行时数据区域运行时数据区的定义：Java

本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路

1.运行时数据区域

运行时数据区的定义：Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。
Java 引以为豪的就是它的自动内存管理机制。相比于 C++的手动内存管理、复杂难以理解的指针等，Java 程序写起来就方便的多。所以要深入理解 JVM 必须理解内存虚拟化的概念。
在 JVM 中，JVM 内存主要分为堆、程序计数器、方法区、虚拟机栈和本地方法栈等。
同时按照与线程的关系也可以这么划分区域：
线程私有区域：一个线程拥有单独的一份内存区域。
线程共享区域：被所有线程共享，且只有一份。
这里还有一个直接内存，这个虽然不是运行时数据区的一部分，但是会被频繁使用。可以理解成没有被虚拟机化的操作系统上的其他内存（比如操作系统上有 8G 内存，被 JVM 虚拟化了3G，那么还剩余5G，JVM是借助一些工具使用这5G内存的，这个内存部分称之为直接内存）代码实例：

public class JVMObject {
    public final static String MAN_TYPE = "man"; // 常量
    public static String WOMAN_TYPE = "woman";  // 静态变量
    public static void  main(String[] args)throws Exception {
        Teacher T1 = new Teacher();
        T1.setName("Tom");
        T1.setSexType(MAN_TYPE);
        T1.setAge(36);
        Teacher T2 = new Teacher();
        T2.setName("Jerry");
        T2.setSexType(MAN_TYPE);
        T2.setAge(18);
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);//线程休眠
    }
}

class Teacher{
    String name;
    String sexType;
    int age;

    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getSexType() {
        return sexType;
    }
    public void setSexType(String sexType) {
        this.sexType = sexType;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

JVM 向操作系统申请内存： JVM第一步就是通过配置参数或者默认配置参数向操作系统申请内存空间，根据内存大小找到具体的内存分配表，然后把内存段的起始地址和终止地址分配给JVM，接下来JVM 就进行内部分配。
JVM 获得内存空间后，会根据配置参数分配堆、栈以及方法区的内存大小 -Xms30m -Xmx30m -Xss1m -XX:MaxMetaspaceSize=30m
完成上一个步骤后， JVM 首先会执行构造器，编译器会在.java 文件被编译成.class 文件时，收集所有类的初始化代码，包括静态变量赋值语句、静态代码块、静态方法，静态变量和常量放入方法区
执行方法及创建对象：启动 main 线程，执行 main 方法，开始执行第一行代码。此时堆内存中会创建一个 Teacher 对象，对象引用 Teacher 就存放在栈中。后续代码中遇到 new 关键字，会再创建一个 Teacher 对象，对象引用 Teacher 也存放在栈中。 JVM 运行内存的整体流程：

JVM 在操作系统上启动，申请内存，先进行运行时数据区的初始化，然后把类加载到方法区，最后执行方法。
方法的执行和退出过程在内存上的体现上就是虚拟机栈中栈帧的入栈和出栈。
同时在方法的执行过程中创建的对象一般情况下都是放在堆中，最后堆中的对象也是需要进行垃圾回收清理的。

2.JAVA 方法的运行与虚拟机栈

虚拟机栈是线程运行 java 方法所需的数据、指令、返回地址。其实在我们实际的代码中，一个线程是可以运行多个方法的。比如：

public class MethodAndStack {
    public static void main(String[] args) {
        A();
    }
    public static void A(){
        B();
    }
    public static void B(){
        C();
    }
    public static void C(){
    }
}

这段代码很简单，就是起一个 main 方法，在 main 方法运行中调用 A 方法，A 方法中调用 B 方法，B 方法中运行 C 方法。
我们把代码跑起来，线程 1 来运行这段代码，线程 1 跑起来，就会有一个对应的虚拟机栈，同时在执行每个方法的时候都会打包成一个栈帧。
比如 main 开始运行，打包一个栈帧送入到虚拟机栈。
C 方法运行完了，C 方法出栈，接着 B 方法运行完了，B 方法出栈、接着 A 方法运行完了，A 方法出栈，最后 main 方法运行完了，main 方法这个栈帧就出栈了。
这个就是 Java 方法运行对虚拟机栈的一个影响。虚拟机栈就是用来存储线程运行方法中的数据的。而每一个方法对应一个栈帧。

3.虚拟机栈

在这里插入图片描述

栈的数据结构：先进后出(FILO)的数据结构，
虚拟机栈的作用：在 JVM 运行过程中存储当前线程运行方法所需的数据，指令、返回地址。
虚拟机栈是基于线程的：哪怕你只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。
虚拟机栈的大小缺省为 1M，可用参数 –Xss 调整大小，例如-Xss256k。
参数官方文档（JDK1.8）：docs.oracle.com/javase/8/do…
栈帧：在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦方法完成相应的调用，则出栈。
栈帧大体都包含四个区域：(局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址) 1、局部变量表: 顾名思义就是局部变量的表，用于存放我们的局部变量的（方法中的变量）。首先它是一个 32 位的长度，主要存放我们的 Java 的八大基础数据类型，一般 32 位就可以存放下，如果是 64 位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的 Object 对象，我们只需要存放它的一个引用地址即可。 2、操作数栈：存放 java 方法执行的操作数的，它就是一个栈，先进后出的栈结构，操作数栈，就是用来操作的，操作的的元素可以是任意的 java 数据类型，所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的。操作数栈本质上是 JVM 执行引擎的一个工作区，也就是方法在执行，才会对操作数栈进行操作，如果代码不不执行，操作数栈其实就是空的。 3、动态连接: Java 语言特性多态。 4、返回地址: 正常返回（调用程序计数器中的地址作为返回）、异常的话（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定）同时，虚拟机栈这个内存也不是无限大，它有大小限制，默认情况下是 1M。如果我们不断的往虚拟机栈中入栈帧，但是就是不出栈的话，那么这个虚拟机栈就会发生栈溢出错误。

public class StackError {
    public static void main(String[] args) {
        A();
    }
    public static void A(){
        A();
    }
}

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError

4.栈帧执行对内存区域的影响

public class Person {
    public  int work()throws Exception{
        int x =1;
        int y =2;
        int z =(x+y)*10;
        return  z;
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Person person = new Person();//person 栈中、new Person 对象是在堆
        person.work();
    }
}

在 JVM 中，基于解释执行的这种方式是基于栈的引擎，这个说的栈，就是操作数栈。 1.线程运行Java方法 2. main方法执行 3. work方法执行栈帧入栈字节码的执行细节 4. work方法执行完栈帧出栈在这里插入图片描述

这段代码，通过javap -c命令对class文件进行反汇编，可以看到类似于行号的数字就是返回地址，为什么没有8，因为第7行的操作占用的空间比较大，所以下一行的数字直接跳到9
iadd，istore，iload这些就是指令，具体含义可以通过cloud.tencent.com/developer/a…

5.程序计数器

较小的内存空间，当前线程执行的字节码的行号指示器；各线程之间独立存储，互不影响。
程序计数器是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，例如，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。
由于 Java 是多线程语言，当执行的线程数量超过 CPU 核数时，线程之间会根据时间片轮询争夺 CPU 资源。如果一个线程的时间片用完了，或者是其它原因导致这个线程的 CPU 资源被提前抢夺，那么这个退出的线程就需要单独的一个程序计数器，来记录下一条运行的指令。
因为 JVM 是虚拟机，内部有完整的指令与执行的一套流程，所以在运行 Java 方法的时候需要使用程序计数器（记录字节码执行的地址或行号），如果是遇到本地方法（native 方法），这个方法不是 JVM 来具体执行，所以程序计数器不需要记录了，这个是因为在操作系统层面也有一个程序计数器，这个会记录本地代码的执行的地址，所以在执行 native 方法时，JVM 中程序计数器的值为空(Undefined)。
另外程序计数器也是 JVM 中唯一不会 OOM(OutOfMemory)的内存区域。

6.本地方法栈

本地方法栈跟 Java 虚拟机栈的功能类似，Java 虚拟机栈用于管理 Java 函数的调用，而本地方法栈则用于管理本地方法的调用。但本地方法并不是用 Java 实现的，而是由 C 语言实现的(比如 Object.hashcode 方法)。
本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是 native 方法。你甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域。
虚拟机规范无强制规定，各版本虚拟机自由实现，HotSpot 直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

7.方法区

方法区主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息，包括类信息、静态变量、常量、运行时常量池、字符串常量池等。
方法区是 JVM 对内存的“逻辑划分”，在 JDK1.7 及之前很多开发者都习惯将方法区称为“永久代”，是因为在 HotSpot 虚拟机中，设计人员使用了永久代来实现了 JVM 规范的方法区。在 JDK1.8 及以后使用了元空间来实现方法区。
JVM 在执行某个类的时候，必须先加载。在加载类（加载、验证、准备、解析、初始化）的时候，JVM 会先加载 class 文件，而在 class 文件中除了有类的版本、字段、方法和接口等描述信息外，还有一项信息是常量池 (Constant Pool Table)，用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。
字面量包括字符串（String a=“b”）、基本类型的常量（final 修饰的变量），符号引用则包括类和方法的全限定名（例如 String 这个类，它的全限定名就是Java/lang/String）、字段的名称和描述符以及方法的名称和描述符。

8.符号引用

一个 java 类（假设为 People 类）被编译成一个 class 文件时，如果 People 类引用了 Tool 类，但是在编译时 People 类并不知道引用类的实际内存地址，因此只能使用符号引用来代替。
而在类装载器装载 People 类时，此时可以通过虚拟机获取 Tool 类的实际内存地址，因此便可以将符号 org.simple.Tool 替换为 Tool 类的实际内存地址，即直接引用地址。
即在编译时用符号引用来代替引用类，在加载时再通过虚拟机获取该引用类的实际地址。
以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局是无关的，引用的目标不一定已经加载到内存中。

9.常量池与运行时常量池

当类加载到内存中后，JVM 就会将 class 文件常量池中的内容存放到运行时的常量池中；在解析阶段，JVM 会把符号引用替换为直接引用（对象的索引值）。
例如，类中的一个字符串常量在 class 文件中时，存放在 class 文件常量池中的；在 JVM 加载完类之后，JVM 会将这个字符串常量放到运行时常量池中，并在解析阶段，指定该字符串对象的索引值。运行时常量池是全局共享的，多个类共用一个运行时常量池，class 文件中常量池多个相同的字符串在运行时常量池只会存在一份。
常量池有很多概念，包括运行时常量池、class 常量池、字符串常量池。
虚拟机规范只规定以上区域属于方法区，并没有规定虚拟机厂商的实现。
严格来说是静态常量池和运行时常量池，静态常量池是存放字符串字面量、符号引用以及类和方法的信息，而运行时常量池存放的是运行时一些直接引用。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是每一个类或接口的常量池（Constant_Pool）的运行时表示形式，它包括了若干种不同的常量：从编译期可知的数值字面量到必须运行期解析后才能获得的方法或字段引用。
运行时常量池是在类加载完成之后，将静态常量池中的符号引用值转存到运行时常量池中，类在解析之后，将符号引用替换成直接引用。
运行时常量池在 JDK1.7 版本之后，就移到堆内存中了，这里指的是物理空间，而逻辑上还是属于方法区（方法区是逻辑分区）。

10.元空间

方法区与堆空间类似，也是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的。假如两个线程都试图访问方法区中的同一个类信息，而这个类还没有装入 JVM，那么此时就只允许一个线程去加载它，另一个线程必须等待。
在 HotSpot 虚拟机、Java7 版本中已经将永久代的静态变量和运行时常量池转移到了堆中，其余部分则存储在 JVM 的非堆内存中，而 Java8 版本已经将方法区中实现的永久代去掉了，并用元空间（class metadata）代替了之前的永久代，并且元空间的存储位置是本地内存。
元空间大小参数： jdk1.7 及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize； jdk1.8 以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize jdk1.8 以后大小就只受本机总内存的限制（如果不设置参数的话）
JVM 参数参考：docs.oracle.com/javase/8/do…
Java8 为什么使用元空间替代永久代，这样做有什么好处呢？

官方给出的解释是：

移除永久代是为了融合 HotSpot JVM 与 JRockit VM 而做出的努力，因为 JRockit 没有永久代，所以不需要配置永久代。
永久代内存经常不够用或发生内存溢出，抛出异常 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。这是因为在 JDK1.7 版本中，指定的 PermGen 区大小为 8M，由于 PermGen 中类的元数据信息在每次 FullGC 的时候都可能被收集，回收率都偏低，成绩很难令人满意；还有为 PermGen 分配多大的空间很难确定，PermSize 的大小依赖于很多因素，比如，JVM 加载的 class 总数、常量池的大小和方法的大小等。

11.堆

堆是 JVM 上最大的内存区域，我们创建的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。堆一般设置成可伸缩的。
随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。
那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置。
Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。
对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。
对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。
当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。

堆大小参数： -Xms：堆的最小值； -Xmx：堆的最大值； -Xmn：新生代的大小； -XX:NewSize；新生代最小值； -XX:MaxNewSize：新生代最大值；

在这里插入图片描述

12.直接内存（堆外内存）

直接内存也叫堆外内存。
JVM 在运行时，会从操作系统申请大块的堆内存，进行数据的存储；同时还有虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器，这块称之为栈区。操作系统剩余的内存也就是堆外内存。
它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；如果使用了 NIO，这块区域会被频繁使用，在 java 堆内可以用 directByteBuffer 对象直接引用并操作；
这块内存不受 java 堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过-XX:MaxDirectMemorySize 来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现 OOM 异常。 1、直接内存主要是通过 DirectByteBuffer 申请的内存，可以使用参数“MaxDirectMemorySize”来限制它的大小。 2、其他堆外内存，主要是指使用了 Unsafe 或者其他 JNI 手段直接直接申请的内存。
堆外内存的泄漏是非常严重的，它的排查难度高、影响大，甚至会造成主机的死亡。
同时，要注意 Oracle 之前计划在 Java 9 中去掉 sun.misc.Unsafe API。这里删除 sun.misc.Unsafe 的原因之一是使 Java 更加安全，并且有替代方案。

13.堆和栈的区别

功能：

以栈帧的方式存储方法调用的过程，并存储方法调用过程中基本数据类型的变量（int、short、long、byte、float、double、boolean、char 等）以及对象的引用变量，其内存分配在栈上，变量出了作用域就会自动释放。
而堆内存用来存储 Java 中的对象。无论是成员变量，局部变量，还是类变量，它们指向的对象都存储在堆内存中。

线程独享还是共享：

栈内存归属于单个线程，每个线程都会有一个栈内存，其存储的变量只能在其所属线程中可见，即栈内存可以理解成线程的私有内存。
堆内存中的对象对所有线程可见。堆内存中的对象可以被所有线程访问。

空间大小：

栈的内存要远远小于堆内存。

14.栈的优化技术——栈帧之间数据的共享

在一般的模型中，两个不同的栈帧的内存区域是独立的，但是大部分的 JVM 在实现中会进行一些优化，使得两个栈帧出现一部分重叠。（主要体现在方法中有参数传递的情况），让下面栈帧的操作数栈和上面栈帧的部分局部变量重叠在一起，这样做不但节约了一部分空间，更加重要的是在进行方法调用时就可以直接共用一部分数据，无需进行额外的参数复制传递了。

public class JVMStack {

    public int work(int x) throws Exception{
        int z =(x+5)*10;//局部变量表有
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
        return  z;
    }
    public static void main(String[] args)throws Exception {
        JVMStack jvmStack = new JVMStack();
        jvmStack.work(10);//10  放入main栈帧，操作数栈
    }
}

15.内存溢出

栈溢出参数：-Xss1m，具体默认值需要查看官网：docs.oracle.com/javase/8/do… HotSpot 版本中栈的大小是固定的，是不支持拓展的。 java.lang.StackOverflowError 一般的方法调用是很难出现的，如果出现了可能会是无限递归。虚拟机栈带给我们的启示：方法的执行因为要打包成栈桢，所以天生要比实现同样功能的循环慢，所以树的遍历算法中：递归和非递归(循环来实现)都有存在的意义。递归代码简洁，非递归代码复杂但是速度较快。 OutOfMemoryError：不断建立线程，JVM 申请栈内存，机器没有足够的内存。（比如jvm申请的总内存为1个G，当启动1025个线程，每个线程默认栈内存1M，总共占用内存大于1个G，这时就会出现OOM）。同时要注意，栈区的空间 JVM 没有办法去限制的，因为 JVM 在运行过程中会有线程不断的运行，没办法限制，所以只限制单个虚拟机栈的大小。
堆溢出内存溢出：申请内存空间，超出最大堆内存空间。如果是内存溢出，则通过调大 -Xms，-Xmx 参数。如果不是内存泄漏，就是说内存中的对象确实都是必须存活的，那么就应该检查 JVM 的堆参数设置，与机器的内存对比，看是否还有可以调整的空间，再从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长、存储结构设计不合理等情况，尽量减少程序运行时的内存消耗。（比如不断的new出新的对象，并被一个List集合引用，不能被回收，当new的对象足够多的时候，就会发生OOM）
方法区溢出（1）运行时常量池溢出（2）方法区中保存的 Class 对象没有被及时回收掉或者 Class 信息占用的内存超过了我们配置。注意 Class 要被回收，条件比较苛刻（仅仅是可以，不代表必然，因为还有一些参数可以进行控制）： 1、该类所有的实例都已经被回收，也就是堆中不存在该类的任何实例。 2、加载该类的 ClassLoader 已经被回收。 3、该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
本机直接内存溢出直接内存的容量可以通过 MaxDirectMemorySize 来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现 OOM 异常；由直接内存导致的内存溢出，一个比较明显的特征是在 HeapDump 文件中不会看见有什么明显的异常情况，如果发生了 OOM，同时 Dump 文件很小，可以考虑重点排查下直接内存方面的原因。

16.常量池

Class 常量池(静态常量池)

在 class 文件中除了有类的版本、字段、方法和接口等描述信息外，还有一项信息是常量池 (Constant Pool Table)，用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。
字面量： 给基本类型变量赋值的方式就叫做字面量或者字面值。比如：String a=“b” ，这里“b”就是字符串字面量，同样类推还有整数字面量、浮点类型字面量、字符字面量。
符号引用： 符号引用以一组符号来描述所引用的目标。符号引用可以是任何形式的字面量，JAVA 在编译的时候一个每个 java 类都会被编译成一个 class 文件，但在编译的时候虚拟机并不知道所引用类的地址(实际地址)，就用符号引用来代替，而在类的解析阶段就是为了把这个符号引用转化成为真正的地址的阶段。一个 java 类（假设为 People 类）被编译成一个 class 文件时，如果 People 类引用了 Tool 类，但是在编译时 People 类并不知道引用类的实际内存地址，因此只能使用符号引用（org.simple.Tool）来代替。而在类装载器装载 People 类时，此时可以通过虚拟机获取 Tool 类的实际内存地址，因此便可以既将符号 org.simple.Tool 替换为 Tool 类的实际内存地址。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是每一个类或接口的常量池（Constant_Pool）的运行时表示形式，它包括了若干种不同的常量：从编译期可知的数值字面量到必须运行期解析后才能获得的方法或字段引用。（这个是虚拟机规范中的描述）
运行时常量池是在类加载完成之后，将 Class 常量池中的符号引用值转存到运行时常量池中，类在解析之后，将符号引用替换成直接引用。运行时常量池在 JDK1.7 版本之后，就移到堆内存中了，这里指的是物理空间，而逻辑上还是属于方法区（方法区是逻辑分区）。
在 JDK1.8 中，使用元空间代替永久代来实现方法区，但是方法区并没有改变，变动的只是方法区中内容的物理存放位置，但是运行时常量池和字符串常量池被移动到了堆中。但是不论它们物理上如何存放，逻辑上还是属于方法区的。

字符串常量池

String 对象作为 Java 语言中重要的数据类型，是内存中占据空间最大的一个对象。高效地使用字符串，可以提升系统的整体性能。