JVM系列（1）——java記憶體區域

JVM： Java Virtual Machine，Java虛擬機，包括處理器、堆疊 、暫存器等，是用來執行java位元組碼(二進制的形式)的虛擬計算機，

一、JVM的組成

JVM由以下四部分組成（兩個子系統和兩個組件）：

類加載器（ClassLoader）
執行引擎（Execution Engine）
運行時資料區（Runtime Data Area）
本地庫介面（Native Interface）

結構如圖：

（1）運行時資料區域我們在本文進行詳解；
（2）類加載機制會在后續文章中依次分析，本文主要介紹運行時資料區域；
（3）執行引擎：
JIT編譯器：編譯執行；將位元組碼指令變成機器指令，將機器指令放在方法區快取，
解釋器：逐行解釋位元組碼，
垃圾回收器：記憶體回收的具體實作，
（4）本地方法庫：
有時java應用需要與java外面的環境、作業系統互動，這是本地方法存在的主要原因，你可以想想java需要與一些底層系統如作業系統或某些硬體交換資訊時的情況，
jre大部分是用java實作的，它也通過一些本地方法與外界互動，例如：類java.lang.Thread 的 setPriority()方法是用java實作的，但是它實作呼叫的是該類里的本地方法setPriority0()，這個本地方法是用C實作的，并被植入JVM內部，在Windows 95的平臺上，這個本地方法最終將呼叫Win32 SetPriority() API，這是一個本地方法的具體實作由JVM直接提供，更多的情況是本地方法由外部的元件(external dynamic link library)提供，然后被JVM呼叫，
本地方法可以通過 JNI(Java Native Interface)來訪問虛擬機運行時的資料區，甚至可以呼叫暫存器，具有和 JVM 相同的能力和權限， 當大量本地方法出現時，勢必會削弱 JVM 對系統的控制力，因為它的出錯資訊都比較黑盒，對記憶體不足的情況，本地方法堆疊還是會拋出 nativeheapOutOfMemory，

二、JVM運行流程

（1）程式在執行之前先要把java代碼轉換成位元組碼（class檔案）；
（2）jvm首先需要把位元組碼通過類加載器（ClassLoader） 把檔案加載到 運行時資料區（Runtime Data Area） ；
（3）位元組碼檔案不能直接交個底層作業系統去執行，因此需要特定的命令決議器 執行引擎（Execution Engine） 將位元組碼翻譯成底層系統指令再交由CPU去執行；
（4）第三步程序中需要呼叫其他語言的介面 本地庫介面（Native Interface） 來實作整個程式的功能，
注：Java 虛擬機與 Java 語言沒有什么必然的聯系，它只與特定的二進制檔案.Class 檔案有關 ， 因此無論任何語言只要能編譯成.Class 檔案，就可以被 Java 虛擬機識別并執行，比如Groovy、Kotlin，

三、java記憶體區域詳解（運行時資料區域）

我們說的Java記憶體區域，一般都指運行時資料區域，其組成如圖所示：

JDK1.8之后的記憶體區域布局如下：

參考文章：Java記憶體區域（運行時資料區域）和記憶體模型（JMM）
（一）程式計數器
程式計數器（Program Counter Register）是一塊較小的記憶體空間，是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器，——記憶體空間小
位元組碼解釋器作業是就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行指令的位元組碼指令，分支、回圈、跳轉、例外處理、執行緒恢復等基礎功能都需要依賴計數器完成，——計數執行
對于一個單核cpu（或者是一個內核）來說，只能同時執行一條指令，而JVM通過快速切換執行緒執行指令來達到多執行緒的，真正處理器就能同時處理一條指令，只是這種切換速度很快，我們根本不會感知到，為了執行緒切換后能恢復到正確的執行位置，每條執行緒都有一個獨立的程式計數器，各條執行緒之間計數器互不影響，獨立存盤，我們稱這類記憶體區域為“執行緒私有”的記憶體，——執行緒私有，多執行緒的實作
如果執行緒正在執行的是一個 Java 方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機位元組碼指令的地址；如果正在執行的是 Native 方法，這個計數器值則為空（Undefined），此記憶體區域是唯一一個在 Java 虛擬機規范中沒有規定任何 OutOfMemoryError 情況的區域，——無記憶體溢位

（二）java虛擬機堆疊
執行緒私有：Java 虛擬機堆疊（Java Virtual Machine Stacks）也是執行緒私有的，它的生命周期與執行緒相同，與執行緒同時創建，執行緒的生命周期請參考我的另一篇文章：執行緒的生命周期，
虛擬機堆疊描述的是 Java 方法執行的記憶體模型：每個方法在執行的同時都會創建一個堆疊幀（Stack Frame，是方法運行時的基礎資料結構）用于存盤區域變數表、運算元堆疊、動態鏈接、方法出口等資訊，每一個方法從呼叫直至執行完成的程序，就對應著一個堆疊幀在虛擬機堆疊中入堆疊到出堆疊的程序，
在活動執行緒中，只有位于堆疊頂的幀才是有效的，稱為當前堆疊幀，正在執行的方法稱為當前方法，堆疊幀是方法運行的基本結構，在執行引擎運行時，所有指令都只能針對當前堆疊幀進行操作，

（1）區域變數表
區域變數表是一組變數值的存盤空間，用于存放方法引數和方法內部定義的區域變數，區域變數要顯示初始化，沒有默認值，
存放了編譯期間可知的基本資料型別、物件參考型別（參考指標）和returnAddress型別（程式就是存盤在方法區的位元組碼指令，指向特定指令記憶體地址的指標），
32位的資料型別占用一個區域變數空間（Slot），64位的long和double占2個，
在Java程式被編譯為Class檔案時，就在方法的Code屬性（Java程式方法中的代碼經過javac編譯之后形成位元組碼存在了Code屬性內）的max_locals資料項中確定了方法所需的分配的區域變數表的最大容量，
（2）運算元堆疊
操作堆疊是個初始狀態為空的桶式結構堆疊，在方法執行程序中， 會有各種指令往堆疊中寫入和提取資訊，JVM 的執行引擎是基于堆疊的執行引擎， 其中的堆疊指的就是操作堆疊，
虛擬機把運算元堆疊作為它的作業區——大多數指令都要從這里彈出資料，執行運算，然后把結果壓回運算元堆疊，

i++ 和 ++i 的區別：
i++：從區域變數表取出 i 并壓入操作堆疊(load memory)，然后對區域變數表中的 i 
自增 1(add&store memory)，將操作堆疊堆疊頂值取出使用，如此執行緒從操作堆疊讀到的是自增之前的值，
++i：先對區域變數表的 i 自增 1(load memory&add&store memory)，然后取出并壓入操作
堆疊(load memory)，再將操作堆疊堆疊頂值取出使用，執行緒從操作堆疊讀到的是自增之后的值，

（3）動態鏈接
每個堆疊幀中包含一個在運行時常量池中對所在方法的參考， 目的是支持方法呼叫程序的動態連接，
現有動態鏈接，再有堆疊幀，
（1）每一個堆疊幀當中都包含指向運行時常量池堆疊幀所屬方法的參考（invokedynamic指令）；
（2）在java源檔案被編譯到位元組碼檔案中時，所有的變數和方法參考都作為符號參考保存在class檔案的常量池里；
比如：描述一個方法呼叫的另外的其它方法時，就是通過常量池中指向該方法的符號參考來表示，那么動態鏈接的作用就是為了將這些符號參考轉換為呼叫方法的直接參考，
參考：https://www.zhihu.com/question/347395101

知乎上參考到的理解：
比如類里有個a方法，加載到了元空間的記憶體地址：0x0000 0001號單元 然后運行時常量池里把這個方法的符號參考轉換為直接參考： a — 0x0000 0001，
然后呼叫a方法，創建堆疊幀，里面保存了常量池里指向a方法的這個直接參考 0x0000 0001，就可以從這個直接參考找到a方法代碼的入口執行a方法，
執行緒切換恢復后也可以根據程式計數器（偏移量）結合這個參考，再次找到a方法在記憶體中上次執行到的位置，繼續執行代碼，

什么是符號參考：
符號參考以一組符號來描述所參考的目標，符號可以是任何形式的字面量，只要使用時能夠無歧義的定位到目標即可，例如，在Class檔案中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等型別的常量出現，符號參考與虛擬機的記憶體布局無關，參考的目標并不一定加載到記憶體中，在Java中，一個java類將會編譯成一個class檔案，在編譯時，java類并不知道所參考的類的實際地址，因此只能使用符號參考來代替，比如org.simple.People類參考了org.simple.Language類，在編譯時People類并不知道Language類的實際記憶體地址，因此只能使用符號org.simple.Language（假設是這個，當然實際中是由類似于CONSTANT_Class_info的常量來表示的）來表示Language類的地址，

（4）方法回傳地址
方法出口，
方法執行時有兩種退出情況：

正常退出，即正常執行到任何方法的回傳位元組碼指令；
例外退出，

無論何種退出情況，都將回傳至方法當前被呼叫的位置，方法退出的程序相當于彈出當前堆疊幀，退出可能有三種方式：

回傳值壓入上層呼叫堆疊幀，
例外資訊拋給能夠處理的堆疊幀，
PC計數器指向方法呼叫后的下一條指令，

（三）本地方法堆疊
本地方法堆疊（Native Method Stack）與虛擬機堆疊所發揮的作用是非常相似的，它們之間的區別不過是虛擬機堆疊為虛擬機執行 Java 方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法堆疊則為虛擬機使用到的 Native 方法服務，Sun HotSpot 虛擬機直接就把本地方法堆疊和虛擬機堆疊合二為一，與虛擬機堆疊一樣，本地方法堆疊區域也會拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 例外，

（四）java堆
對于大多數應用來說，Java 堆（Java Heap）是 Java 虛擬機所管理的記憶體中最大的一塊，Java 堆是被所有執行緒共享的一塊記憶體區域，在虛擬機啟動時創建，此記憶體區域的唯一目的就是存放物件實體，幾乎所有的物件實體都在這里分配記憶體，——執行緒共享
jdk1.8之后，字串常量池從方法區移到了堆中，
堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱做“GC堆”（Garbage Collected Heap），
（1）從記憶體回收的角度來看，由于現在收集器基本都采用分代收集演算法，所以 Java 堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細致一點的有 Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等，
（2）從記憶體分配的角度來看，執行緒共享的 Java 堆中可能劃分出多個執行緒私有的分配緩沖區（Thread Local Allocation Buffer,TLAB），

Java 堆可以處于物理上不連續的記憶體空間中，只要邏輯上是連續的即可，當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實作的（通過 -Xmx 和 -Xms 控制），如果在堆中沒有記憶體完成實體分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出 OutOfMemoryError 例外，——記憶體溢位
（五）方法區
作用：用于存盤已被虛擬機加載的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯后的代碼等資料，
回收：垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，其記憶體回收目標主要是針對常量池的回收和對型別的卸載，
例外：當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將拋出 OutOfMemoryError 例外，
JDK8 之前，Hotspot 中方法區的實作是永久代（Perm），JDK8 開始使用元空間（Metaspace），以前永久代所有內容的字串常量移至堆記憶體，其他內容移至元空間，元空間直接在本地記憶體分配，元空間的大小取決于本地記憶體的大小，
運行時常量池
運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分，Class 檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊是常量池（Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號參考，這部分內容將在類加載后進入方法區的運行時常量池中存放，
一般來說，除了保存 Class 檔案中描述的符號參考外，還會把翻譯出來的直接參考也存盤在運行時常量池中，
運行時常量池相對于 Class 檔案常量池的另外一個重要特征是具備動態性，Java 語言并不要求常量一定只有編譯期才能產生，也就是并非預置入 Class 檔案中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用得比較多的便是 String 類的 intern() 方法，（當呼叫 intern() 方法時，編譯器會將字串添加到常量池中（stringTable維護），并回傳指向該常量的參考，）

既然運行時常量池是方法區的一部分，自然受到方法區記憶體的限制，當常量池無法再申請到記憶體時會拋出 OutOfMemoryError 例外，
（六）直接記憶體
直接記憶體（Direct Memory）并不是虛擬機運行時資料區的一部分，也不是 Java 虛擬機規范中定義的記憶體區域，
在 JDK 1.4 中新加入了 NIO，引入了一種基于通道（Channel）與緩沖區（Buffer）的 I/O 方式，它可以使用 Native 函式庫直接分配堆外記憶體，然后通過一個存盤在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 物件作為這塊記憶體的參考進行操作，這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在 Java 堆和 Native 堆中來回復制資料，
顯然，本機直接記憶體的分配不會受到 Java 堆大小的限制，但是，既然是記憶體，肯定還是會受到本機總記憶體（包括 RAM 以及 SWAP 區或者分頁檔案）大小以及處理器尋址空間的限制，服務器管理員在配置虛擬機引數時，會根據實際記憶體設定 -Xmx 等引數資訊，但經常忽略直接記憶體，使得各個記憶體區域總和大于物理記憶體限制（包括物理的和作業系統級的限制），從而導致動態擴展時出現 OutOfMemoryError 例外，

總結

如圖所示：

參考文獻：深入理解java虛擬機（第二版）