深入理解JVM虚拟机读书笔记——运行时数据区

女爷i 2022-09-07 06:59 259阅读 0赞

> **注**：本文参考自周志明老师的著作《深入理解Java虚拟机（第3版）》，相关电子书可以关注WX公众号，回复 001 获取。

跨平台性是 Java 语言的重要特性，而这一特性本质上就是通过 JVM 虚拟机来实现的。下面就来通过深入学习 JVM 来进一步增加我们对 Java 这门编程语言的了解吧！（个人建议，最好能买来这本书去读一读，是非常有帮助的，当然，在看这本书之前，为了方便理解相关概念名词，可以先跟着某马程序员的视频课程大致过一遍 JVM 的内容体系：[JVM 虚拟机基础入门视频教程][JVM]，[视频教程的全套笔记][Link 1]）

## 1. 运行时数据区 ##

**Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的人想进去，墙里 面的人却想出来** —— 摘自（深入理解 Java 虚拟）。

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。这些区域 有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存 将会包括以下几个运行时数据区域，如下图所示。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU5MTk4MA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

下面我们来逐个学习一下运行时数据区的 5 个部分。（注意：**JVM 运行时数据区**可不能等同于 **JVM 内存模型**，对于不太熟悉 JVM 的初学者，面试的时候很容易把这两个概念搞混~）

### 1.1 程序计数器 ###

**程序计数器**（线程私有），是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。它的核心作用就是：用于存储下一条所要执行的 JVM 指令的内存地址。

这里所说的线程私有，即不会出现并发安全问题，JVM 运行时数据区的 5 个部分中，只有 Java 堆、方法区是线程共享的，其他三个均为线程私有，后面还会提到这个知识点。

如下图：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU5MTk4MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]Java指令执行流程：

*  每一条**二进制字节码(JVM指令)** 通过 **解释器** 转换成 **机器码** 然后 就可以被 **CPU** 执行了！
 *  当 **解释器** 将一条jvm 指令转换成 **机器码**后 其会 向**程序计数器** 递交 下一条 jvm 指令的**执行地址**！
 *  **程序计数器**在硬件层面 其实是通过 **寄存器** 实现的！
 *  所以程序计数器的作用就是：用于保存JVM中下一条所要执行的指令的地址！

### 1.2 虚拟机栈 ###

与程序计数器一样，**虚拟机栈**也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是J ava 方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame），栈帧包含如下几个组成部分：

*  **局部变量表**：存放基本数据类型（`boolean、byte、char、short、int、 float、long、double`）、对象引用（reference）等。这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的 `long` 和 `double` 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小（这里说的“大小”是指变量槽的数量）。
 *  **操作数栈**：也可以称之为表达式栈（Expression Stack），在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈（push）和 出栈（pop）。某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈，使用它们后再把结果压入栈，比如：执行复制、交换、求和等操作。**操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间**。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU5MTk4MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

*  动态连接
 *  方法出口等信息

每个**线程**运行需要的内存空间，这一空间被称为**虚拟机栈(Frames)**，每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

每个栈由多个**栈帧**(Frame) 组成，对应着**每个方法运行时所占用的内存**，每个线程只能有**一个活动栈帧**，对应着**当前正在执行的方法**，当方法执行时压入栈，方法执行完毕后弹出栈。

如下图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU5MTk4MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1][]

### 1.3 本地方法栈 ###

一些带有**native 关键字**的方法就是需要JAVA去调用本地的C或者C++方法，因为JAVA有时候没法直接和操作系统底层交互，所以需要用到本地方法！

如图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU5MTk4MA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

### 1.4 堆 ###

**堆**是Java内存区域中一块用来**存放对象实例的区域**【几乎所有的对象实例都在这里分配内存】，Java 堆（Java Heap）是 Java 虚拟机所管理的内存中**最大的一块** Java 堆是被所有**线程共享**的一块内存区域。

Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数`-Xmx`和`-Xms`设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出`OutOfMemoryError`异常。

*  内存中的对象都需要**考虑线程安全问题**。
 *  Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“**GC 堆**”（Garbage）。
 *  `-Xmx -Xms：`JVM初始分配的堆内存由`-Xms`指定，64位的操作系统上，堆大小默认是物理内存的`1/64`。

### 1.5 方法区 ###

**方法区**（Method Area）与Java堆一样，是各个**线程共享**的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

方法区只是一个抽象概念，其具体实现是通过以下 2 种方式：

*  永久代：JDK1.7版本之前。
 *  元空间：JDK1.8版本之后。

永久代如下图所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU5MTk4MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2][]

元空间如下图所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU5MTk4MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2][]

由上图可以看出，1.6版本方法区是由PermGen永久代实现(**使用堆内存的一部分作为方法区**)，且由JVM 管理，由Class ClassLoader 常量池(包括StringTable) 组成。

1.8 版本后，方法区交给本地内存管理，而脱离了JVM，由元空间实现(**元空间不再使用堆的内存，而是使用本地内存,即操作系统的内存**)，由Class ClassLoader 常量池(StringTable 被移到了Heap 堆中管理) 组成。

## 2. 面试题案例 ##

*  [JVM面试题案例][JVM 1]

> 后续会陆续更新，这本书的笔记记的差不多了，排版和格式需要花时间整理，文章都会同步到公众号上，也欢迎大家通过公众号加入我的交流qun互相讨论jvm这块的知识内容！

[JVM]: https://www.bilibili.com/video/BV1yE411Z7AP
[Link 1]: https://csp1999.blog.csdn.net/article/details/116903563
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU5MTk4MA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220829/8bc64174b780413b8aa56b9b04274995.png
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[JVM 1]: https://csp1999.blog.csdn.net/article/details/117318685