JVM学习——运行时数据区

一，JVM内存结构

jvm03.png

• JVM内存主要分为：堆内存、方法区和栈
• 堆内存存储对象实例，由新生代和老年代组成
• 方法区存储类信息、常量、静态变量等数据
• 栈又分为java虚拟机栈和本地方法栈，主要用于方法的执行

二，各区域参数设置

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• -Xms 堆的最小空间大小。
• -Xmx 堆的最大空间大小。
• -XX:NewSize 新生代最小空间大小。
• -XX:MaxNewSize 新生代最大空间大小。
• -XX:PermSize 永久代(方法区)最小空间大小。
• -XX:MaxPermSize 永久代(方法区)最大空间大小。
• -Xss 每个线程的堆栈大小。
  老年代空间=堆空间-年轻代大空间

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三，Java堆(Heap)

1. 存放对象实例。
2. 所有线程共享。
3. 垃圾收集的主要区域，采用分代收集算法，分为新生代和老年代，新生代内存又分为Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间,默认按8:1:1的比例分配。
4. 物理不连续，逻辑上连续，可扩展（通过-Xmx和-Xms控制）。
5. 堆内存不足以完成实例分配，并且无法再扩展时，抛出OutOfMemoryError。

四，方法区(Method Area)

1. 存储已加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码，又称为永久代（Permanent Generation）。
2. 所有线程共享。
3. 方法区主要针对常量池的回收和对类型的卸载，回收“成绩”较差，其中类型的卸载条件相当苛刻。
4. 当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError。

五，Java虚拟机栈（JVM Stacks）

1. 线程私有的，它的生命周期与线程相同
2. 每个方法被调用直至执行完成的过程，对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
3. 虚拟机栈是执行Java方法的内存模型：每个方法被执行时会创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。
4. 局部变量表存放了编译期可知的基本类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。64位长度的long和double类型会占用2个局部变量空间（Slot），其余类型只占用1个

• 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

5. 动态连接：每个栈帧都包含一个指向运行时常量池（方法区的一部分）中该栈帧所属方法的引用。持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。Class文件的常量池中有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用，这种转化称为静态解析。另一部分将在每一次的运行期间转化为直接应用，这部分称为动态连接。
6. 方法出口：返回方法被调用的位置，恢复上层方法的局部变量和操作数栈，如果无返回值，则把它压入调用者的操作数栈。

• 如果单个线程请求栈深度大于虚拟机所允许的深度(-Xss)，将抛出StackOverflowError
• 如果启动一个新线程没有足够分配空间，也无法扩展时，会抛出OutOfMemoryError

六，本地方法栈（Native Method Stacks）

• 虚拟机栈为执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈为Native方法服务。
• 线程私有
• 与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError

七，程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

1. 线程私有，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储。
2. 在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。
3. 如果正在执行java方法，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址。
4. 如果是native方法，则计数器值为空（native 方法 指得就是Java程序调用了非Java代码，算是一种引入其它语言程序的接口）。
5. 唯一在Java虚拟机规范中没有OutOfMemoryError的区域。

例子

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import org.apache.log4j.Logger;
 
public class HelloWorld {
    private static Logger LOGGER = Logger.getLogger(HelloWorld.class.getName());
    public void sayHello(String message) {
        SimpleDateFormat formatter = new SimpleDateFormat("dd.MM.YYYY");
        String today = formatter.format(new Date());
        LOGGER.info(today + ": " + message);
    }
}

这段程序的数据在内存中的存放如下：

JUtH_20121024_RuntimeDataAreas_4_MemoryModel.png

八、对象的创建

• 虚拟机遇到new指令时

1. 首先检查这个指令的参数能否在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，则执行类加载过程（第7章 虚拟机类加载机制）。
2. 加载检查通过后，分配内存（内存在类加载完成后便可完全确定）。
3. 内存分配完成后，虚拟机对对象进行必要的设置，如对象是哪个类的实例、如何找到类的元数据信息等(都放在对象的对象头中)。
4. 从虚拟机角度看，一个新的对象产生了，但从java程序视角看，对象创建才刚刚开始，因为方法还没有执行，所有字段为零。执行new指令之后会接着执行方法（构造方法），进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完成产生。

九、对象的内存布局

对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据、对齐填充

• 对象头（Header）包含两部分

1. 对象的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄等。长度在32位和64位的虚拟机中，分别为32bit、 64bit,官方称它为Mark Word。
   
   对象mark word.PNG
2. 类型指针，对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
3. 注：如果对象是一个java数组，对象头中还必须有一块记录数据长度的数据

• 实例数据（InstanceData）
  对象真正存储的有用信息，各种类型的字段内容，包括父类继承的和子类定义的字段
• 对齐填充（Padding）
  由于HotSpot虚拟机要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，就是对象大小必须是8字节的整数倍。对象头正好是8字节的倍数。当实例数据部分没有对齐时，需要通过对齐填充来补全。

十、对象的访问定位

1. Java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。
2. 目前主流的对象访问方式有两种：使用句柄和直接指针。

3. 使用句柄 是间接访问，优点是reference中存储的是稳定的句柄地址，对象移动时只会改变句柄中的实例数据指针。

   
   
   句柄访问.PNG

4. 使用直接指针 是直接访问，优点就是速度快。

   
   
   指针直接访问.PNG

参考资料
https://segmentfault.com/a/1190000010412582
http://www.ityouknow.com/jvm/2017/08/25/jvm-memory-structure.html
https://www.jianshu.com/p/3fecd4286f78