19. java虚拟机总结-JVM 内存管理 （三）
JVM 内存区域划分
1.为什么进行内存区域划分？
Java自动内存管理机制是它和C++的区别所在。C++是手动内存管理，内存的释放需要开发者自己处理，Java的自动内存管理机制使程序写起来方便很多。但是为了管理这些快速的内存申请释放操作，就必须引入一个池子来延迟这些内存区域的回收操作，这个池子，就是堆，Java的垃圾回收就是针对的堆区。
--tip--Java内存布局一直在调整。比如，Java8及之后的版本，彻底移除了持久代，而使用Metaspace来进行替代。这也表示着 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 等参数调优，已经没有了意义
2.java内存分区
java内存分区.png
针对上图：
1.JVM堆中的数据是共享的，是占用内存最大的一块区域。
2.可以执行字节码的模块叫作执行引擎。执行引擎在线程切换时怎么恢复？依靠的就是程序计数器。
3.JVM 的内存划分与多线程是息息相关的。像我们程序中运行时用到的栈，以及本地方法栈，它们的维度都是线程。
4.本地内存包含元数据区和一些直接内存。
可见JVM内存分为这几个区域：
a.虚拟机栈
Java 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
首先要知道，既然是栈，那就满足先进后出的顺序。虚拟机栈用于存储当前线程执行方法需要的数据，指令，返回地址，并执行Java方法。栈里的每条数据，就是栈帧。在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，也就是一个方法对应一个栈帧，栈帧创建后会入栈，一旦完成相应的调用，则出栈。Java程序的运行就是不断的有栈帧入栈和出栈的过程，所有的栈帧都出栈后，线程也就结束了。
每个栈帧包含局部变量表，操作数栈，动态连接，返回地址四个区域
线程和栈帧.png
我们以这段代码为例来分析Java虚拟机栈
public class TestJavaStack {
//静态变量
static String s = "hello";
//常量
final int a = 23;
//普通成员变量
float v = 12.0f;
public int method1(){
Object o = new Object();
//int类型
int a = 5 + 10; //验证直接相加在编译阶段已合并完结果
int b = a + 3; //探究变量与常量的相加过程
b = b + 6; //验证int不在-1~5，在-128~127范围的指令是bipush
b = b + 128; //验证int不在-128~127，在-32768~32767范围的指令是sipush
b = b + 32768; //验证int不在-32768~32767，在-2147483648~2147483647范围的指令是ldc(ldc：从常量池取并压栈，所以这个范围的int是存在常量池)
//short //验证byte、short、char在操作数栈压栈前均会转为int
short a_s = 5 + 10;
short b_s = (short)(a_s + 3);
return b;
}
public static void main(String[] args) {
TestJavaStack stack = new TestJavaStack();
stack.method1();
}
}
通过javap -c TestJavaStack.class 命令将class文件反编译
public class TestJavaStack {
static java.lang.String s;
final int a;
float v;
public TestJavaStack();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: bipush 23
7: putfield #2 // Field a:I
10: aload_0
11: ldc #3 // float 12.0f
13: putfield #4 // Field v:F
16: return
public int method1();
Code:
0: new #5 // class java/lang/Object
3: dup
4: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
7: astore_1
/*** (int a = 5 + 10)***/
//将15压入操作数栈的栈顶(编译过程中5+10合并成15，并且由于15在-128-127范围，即用bipush) `压栈`
8: bipush 15
//从栈顶弹出并压入局部变量表访问索引为2的Slot `弹栈入局部变量表` 弹栈运算
10: istore_2
//将局部变量表中访问索引为2的Slot重新压入栈顶 `局部变量表入栈` 结果入栈
11: iload_2
/****(int b = a + 3)****/
//将数值3压入操作数栈的栈顶(范围-1~5，即用指令iconst) ` 压栈`
12: iconst_3
//将栈顶的前两个弹出并进行加法运算后将结果重新压入栈顶
13: iadd
//从栈顶弹出并压入局部变量表访问索引为3的Slot
14: istore_3
/****(b = b + 6)****/
//将局部变量表中访问索引为3的Slot重新压入栈顶
15: iload_3
//将6压入操作数栈的栈顶(在-128-127范围，用bipush指令)
16: bipush 6
//将栈顶的前两个弹出并进行加法运算后将结果重新压入栈顶
18: iadd
//从栈顶弹出并压入局部变量表访问索引为3的Slot
19: istore_3
/****（b = b + 128）****/
//将局部变量表中访问索引为3的Slot重新压入操作数栈栈顶，拿到b的值
20: iload_3
//将128压入操作数栈的栈顶(在-32768~32767范围，用sipush指令)
21: sipush 128
//将栈顶两个弹出相加后再将结果重新入栈
24: iadd
//从栈顶弹出并压入局部变量表访问索引为3的Slot
25: istore_3
/****（b = b + 32768）****/
//将局部变量表访问索引为3的Slot重新压入栈顶，（拿到了最新的b的值）
26: iload_3
//将32768 压入操作数的栈顶(在-2147483648~2147483647范围，用ldc指令)
27: ldc #6 // int 32768
//将栈顶两个弹出相加后重新将结果入栈顶
29: iadd
//从栈顶弹出并压入局部变量表访问索引为3的Slot
30: istore_3
/**** 验证了short、byte、char压栈前都会转为int****/
31: bipush 15
33: istore 4
35: iload 4
37: iconst_3
38: iadd
39: i2s
40: istore 5
41: ireturn
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: new #19 // class TestJavaStack
3: dup
4: invokespecial #20 // Method "<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: invokevirtual #21 // Method method1:()I
12: pop
13: return
static {};
Code:
0: ldc #22 // String hello
2: putstatic #23 // Field s:Ljava/lang/String;
5: return
}
局部变量表
局部变量表采用访问索引的方式来进行数据访问的
7305851-a81763719c0e214b.png
一个方法对应一个栈帧，局部变量表用于存放方法中定义的局部变量。JavaStack类中，局部变量表中存储的首先是this，也就是当前对象，然后是Object类型tech13和基本数据类型zhifubao,weixin，对于Object类型的tech13,要知道栈中存储的只是引用，对象是在堆中的。
操作数栈
操作数栈可理解为java虚拟机栈中的一个用于计算的临时数据存储区，通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问（对于byte、short和char类型的值在入栈之前，会被转换为int类型）。它是数据运算的地方，大多数指令都在操作数栈弹栈运算，然后结果压栈.
iconst: 用于int类型-1~5范围内数据压栈
bipush: 用于int类型-128-127范围内数据压栈
sipush: 用于int类型-32768~32767范围内数据压栈
ldc: 用于int类型--2147483648~2147483647范围内数据压栈(直接存在常量池)
动态连接
指的就是多态相关的东西
返回地址
方法的返回指令
返回地址.png
b.本地方法栈
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，这并不影响我们对 JVM 的了解。
c.程序计数器
指的就是代码反编译之后，操作码前边的数字，用于记录当前线程执行到的位置。为什么需要程序计数器？因为线程在获取 CPU 时间片上是不可预知的，需要有一个地方，对线程正在运行的点位进行缓冲记录，以便在获取 CPU 时间片时能够快速恢复。程序计数器指向当前线程正在执行的字节码指令的地址（行号），就是记录执行的位置，当线程切换时等再切换回来才能从正确的点继续执行
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: new #19 // class TestJavaStack
3: dup
4: invokespecial #20 // Method "<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: invokevirtual #21 // Method method1:()I
12: pop
13: return
d.堆
对大多数应用而言，Java 堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块，是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一作用就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都是在这里分配的（不绝对，在虚拟机的优化策略下，也会存在栈上分配、标量替换的情况，后面的章节会详细介绍）。Java 堆是 GC 回收的主要区域，因此很多时候也被称为 GC 堆。从内存回收的角度看，Java 堆还可以被细分为新生代和老年代；再细一点新生代还可以被划分为 Eden Space、From Survivor Space、To Survivor Space。从内存回收的角度看，线程共享的 Java 堆可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）
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
对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。我们上面提到，每个线程拥有一个虚拟机栈。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。
注意，像 int[] 数组这样的内容，是在堆上分配的。数组并不是基本数据类型。
e.元空间
关于元空间，有一个非常高频的面试题：“为什么有 Metaspace 区域？它有什么问题？”
说到这里，你应该回想一下类与对象的区别。对象是一个活生生的个体，可以参与到程序的运行中；类更像是一个模版，定义了一系列属性和操作。那么你可以设想一下。我们前面生成的 A.class，是放在 JVM 的哪个区域的？在 Java 8 之前，这些类的信息是放在一个叫 Perm 区（永久代，在堆中）的内存里面的。这个区域有大小限制，很容易造成 JVM 内存溢出，从而造成 JVM 崩溃。
Perm 区在 Java 8 中已经被彻底废除，取而代之的是 Metaspace。原来的 Perm 区是在堆上的，现在的元空间是在非堆上的，这是背景。关于它们的对比，可以看下这张图。
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然后，元空间的好处也是它的坏处。使用非堆可以使用操作系统的内存，JVM 不会再出现方法区的内存溢出；但是，无限制的使用会造成操作系统的死亡。所以，一般也会使用参数 -XX:MaxMetaspaceSize 来控制大小。
方法区，作为一个概念，依然存在。它的物理存储的容器，就是 Metaspace。现在只需要了解到，这个区域存储的内容，包括：类的信息、常量池、方法数据、方法代码就可以了。
