Java虚拟机内存区域---学习笔记

Java虚拟机

虚拟机：
定义：模拟某种计算机体系结构，执行特定指令集的软件。
种类：

1. 系统虚拟机（Virtual Box 、VMware）
2. 进程虚拟机（JVM、Adobe Flash Player、FC模拟器）

Java语言虚拟机：可以执行Java语言的高级语言虚拟机。Java语言虚拟机并不以一定就可以称为JVM，譬如：Apache Harmony

Java虚拟机：
1.必须通过Java TCK（Technology Compatibility Kit）的兼容性测试的Java语言虚拟机才能成为Java虚拟机。
2.Java虚拟机并非一定要执行Java程序
3.业界三大商用JVM：Oracle HotSpot、Oracle JRockit VM、IBM J9 VM

Oracle HotSpot虚拟机是目前OracleJDK和OpenJDK中自带的虚拟机。

Java虚拟机运行时数据区

Java虚拟机运行时数据区，有一些区域是全局共享的，随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。有一些区域是线程私有的，随着线程开始和结束而创建和销毁。

运行时数据区划分：

1. 程序计数器
2. Java堆
3. Java虚拟机栈
4. 本地方法栈

5. 方法区

   
   图中的方法区和Java堆这两部分是所有线程所共享的数据区域，Java虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器这三部分是线程私有的数据区域。

程序计数器：
一块较小的内存空间，它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。可以看作是指针，指示着当前程序（字节码）正在运行的一行代码。
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并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。因此，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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为线程私有的内存。
如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址：如果正在执行的是Native方法，这个计数器值为空。
程序计数器这块内存区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈：
java虚拟机栈也是线程私有的。生命周期与线程相同。

每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

一个完整的栈帧包含：局部变量表、操作数栈、动态链接栈信息、方法正常完成和异常完成信息

1.虚拟机栈中的局部变量表部分：

局部变量表用于方法间参数的传递，以及方法执行过程中存储基础数据类型的值和对象的引用。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（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，基本不再使用）。
其中64位长度的long、double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），但是不会像Java内存模型中的非原子性一样，其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在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。

2.操作数栈部分：
是一个后进先出的栈，由若干个Entry组成，长度由编译器决定。

单个Entry即可以存储一个Java虚拟机中定义的任意数据类型的值，包括long和double类型，但是存储long和double类型的Entry深度为2，其他类型深度为1。

在方法执行的过程中，栈帧用于存储计算参数和计算结果；在方法调用时，操作数栈也用来准备调用方法的参数以及接收方法返回结果。

例子：演示栈帧的局部变量表和操作数栈的工作方式

字节码如图所示：

方法的执行过程：
《1》当执行第一条字节码指令时：
程序计数器首先记载了这条指令的偏移量（为0），bipush字节码指令的作用是将后边跟的整型数据入栈到操作数栈的栈顶，当着条指令执行完成后，操作数栈的栈顶将存在一个数100。
《2》当执行第二条字节码指令时：
程序计数器将记载这条指令的偏移量（为2，原因是：前边bipush指令中，指令占用了一个偏移量，参数100也占用了一个偏移量），istore_1字节码指令（只有指令，没有参数，所以只会占用一个偏移量）作用是把操作数栈的栈顶元素出栈，并且将数据存储到局部变量表索引号为1的solt之中。
《3》当执行偏移为11的那条指令时：执行该指令之前，局部变量表中的1号solt中为100，2号solt中为200，3号solt中为300；iload_1指令的作用是将局部变量表索引号为1的数存储到操作数栈的栈顶，这条指令完成之后操作数栈的栈顶数位100
《4》当执行偏移为12的那条指令时：iload_2指令将会将局部变量表中索引号为2的数存储到操作数栈的栈顶，当这条指令完成之后操作数栈的栈顶将会有两个元素：分别是栈顶元素200和第二个元素100
《5》执行指令iadd，iadd指令是一条整数加法指令，作用是将操作数栈距离栈顶最近的两个数出栈，然后把这两个数相加的结果重新存入操作数栈的栈顶，当这条指令执行完之后，操作数栈的深度变为1，并且存入了数据300
《6》执行指令iload_3，将局部变量表索引号为3的数300存入操作数栈的栈顶
《7》执行imul指令，该指令是整数乘法指令，与前边执行整数加法指令类似，将会把距离操作数栈栈顶最近的两个数出栈，相乘后的结果存入操作数栈的栈顶
《8》指令ireturn指令的作用是将操作数栈顶的数出栈，将这个值作为方法返回值进行返回。

java虚拟机栈的两种异常：
1.StackOverflowError异常：如果线程请求的栈容量大于虚拟机栈所允许的最大容量时，Java虚拟机将会抛出该异常。
2.OutOfMemeryError异常：如果虚拟机栈可以动态扩展，并且扩展的动作已经尝试过，但是目前无法申请到足够的内存去完成扩展，或者在建立新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出该异常。

例子1：模拟StackOverflowError异常

package com.test.JavaVM;

/**
 * 模拟StackOverflowError异常
 * 2015年9月9日 下午8:09:59
 * @author 张耀晖
 *
 */
public class JavaVMStackSOF {

    private int stackLength = 1;

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try {
            oom.stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("栈的深度："+oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }

    //该方法递归调用自己
    public void stackLeak(){
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

}

运行结果：

例子2：模拟OutOfMemeryError异常

package com.test.JavaVM;

/**
 * 模拟OutOfMemeryError异常
 * 2015年9月9日 下午8:47:24
 * @author 张耀晖
 *
 */
public class JavaVMStackOOM {

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }

    private void dontStop(){
        while(true){

        }
    }

    public void stackLeakByThread(){
        while(true){
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
            thread.start();

        }
    }
}

运行结果:

这段代码会导致系统变得很卡，因为这段代码在不断的创建线程，直到系统分配给JVM虚拟机的内存不够时，就会抛出OutOfMemeryError异常。

本地方法栈
本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

Sun HotSpot虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一了。

与虚拟机栈一样，本地方法栈区域会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆
java堆是被java所有线程内存共享的内存区域。
Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。
在虚拟机创建的时候创建，在虚拟机销毁的时候销毁。
此区域的唯一作用：存放Java对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都要在堆上分配内存。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，即常说的GC堆，该区域是实现自动内存管理的。
因为Java堆是全局共享的内存区域，所有Java线程所分配的Java对象都存储在Java堆之中，以为这个数据区域会被Java线程共同使用，为了避免各个Java线程所可能产生的竞争关系，例如，两个Java线程同时使用Java堆中的一块内存来分配不同的对象，这时候它们就对Java堆中的空间产生了竞争，为了避免这种竞争关系，Java虚拟机很可能会把Java堆根据不同的各个线程划分出若干个线程私有的分配缓冲区，这时候各个线程会在自己独立的分配缓冲区中分配对象，当分配缓冲区的空间用完的时候，才会加锁，并且向Java堆分配新的分配缓冲区的内存。
Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续就行，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以实现成可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展的来实现的。

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法在扩展时，将抛出OutOfMemoryError异常。

从栈到堆的关联过程：
第一种方式：HotSpot虚拟机采用的方式

第二种方式：

模拟Java堆中的OutOfMemoryError异常例子：

package com.test.JavaVM;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 模拟Java堆的OutOfMemoryError异常
 * 2015年9月10日 下午3:06:03
 * @author 张耀晖
 *
 */
public class HeapOOM {

    static class OOMObject{

    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
        //会不断的创建OOMObject的对象，并且创建出来的这些对象都被List所引用，保证了创建的这些对象不被Java虚拟机的自动回收机制所回收
        while(true){
            list.add(new OOMObject());
        }
    }

}

运行结果：

方法区：
方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已经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等数据。
Java虚拟机规范对方法区的限制相当宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入方法区就如永久代的名字一样永久存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的回收成绩比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当的苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完成回收而导致内存泄漏。
当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池
运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号的引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要的特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用的比较多的便是String类的intern()方法。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法在申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

HotSpot虚拟机方法区实现的变迁：
在JDK1.2~JDK6,HotSpot使用永久代实现方法区。
在JDK7开始，HotSpot开始了移除永久代的计划，符号表被移到了Native Heap中，字符串常量和类的静态引用被移到Java Heap中。
在JDK8开始，永久代已被元空间所代替。

直接内存
直接内存并不是java虚拟机运行时内存区域的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的一块内存区域，但是该区域也频繁的使用，也会导致OutOfMemoryError异常。
直接内存是被java所有线程内存共享的内存区域。
直接内存区域能被Java虚拟机进行自动内存管理，但是检测手段是有一些简陋的。

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