JVM(一) 程序运行时内存分配

1. 程序运行过程中，java文件的执行流程
2. 内存分配区域：程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈，堆，方法区
3. 总结

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不同的数据区域，下图描述了一个.java文件被JVM加载到内存中的过程

• HelloWorld.java文件首先需要经过编译器编译，生成HelloWorld.class字节码文件

• Java程序中访问到HelloWorld这个类时，需要通过ClassLoader（类加载器）将HelloWorld.class加载到JVM的内存中

• JVM中的内存可以划分为若干个不同的数据区域，主要分为：程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈，堆，方法区

java文件加载运行过程.png

1.程序计数器

本质：程序计数器 是虚拟机中一块较小的内存空间，主要用于记录当前线程执行的位置

• 背景

  • Java程序时多线程的，CPU在多个线程中分配执行时间片段（RR调度算法）。

  • 当一个线程被CPU挂起时，需要记录代码已经执行到的位置，当CPU重新执行此线程时，需要知道从那行指令继续执行，这就是程序计数器的作用

• 注意点

  • 在Java虚拟机规范中，对程序计数器这一区域没有规定任何OutOfMemoryError情况（或许是感觉没有必要把）

  • 程序计数器是线程私有的，每条线程内部都有一个私有程序计数器。它的生命周期随着线程的创建和结束。

  • 当一个线程正在执行一个java方法的时候，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，这个计数器值则为空（Undefined）

2.虚拟机栈

• 经常听到JVM是基于栈的解释器执行的，DVM是基于寄存器解释器执行的，这里的“基于栈”值得就是虚拟机栈

• 虚拟机栈设计的初衷是用来描述Java方法执行的内存模型，每个方法被执行的时候，JVM都会在虚拟机栈中创建一个栈

• 虚拟机栈也是线程私有的，与线程的生命周期同步，在jvm规范中，对这个区域规定了两种异常状况：

  • StackOverflowError：当线程请求栈深度超出虚拟机栈所允许的深度时抛出

  • OutOfMemoryError：当jvm动态扩展到无法申请足够内存时抛出

栈帧

栈帧时用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构，线程中执行某一个方法时，方法内部可能会调用其他的方法，每调用一个方法，都会为这个方法创建一个栈帧

• 可以这样理解，一个线程包含多个栈帧，每个栈帧内部包含局部变量表，操作数栈，动态连接，返回地址等

2.虚拟机栈结构.png

1. 局部变量表

   局部变量表是变量值的存储空间，我们调用方法时传递的参数，以及在方法内部创建的局部变量都保存在局部变量表中。

   • 在Java文件编译成class文件时候，就会在方法的Code属性表中的max_locals数据项中，确定该方法需要分配的最大局部变量表的容器，代码如下

 public static int add(int k) {
     int a = 1;
     int b = 2;
     return k + a + b;
     }

先使用javac 编译成.class文件，再使用javap -v 反编译得到字节码如下：

 public static int add(int);
     descriptor: (I)I
     flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
     Code:
     stack=2, locals=3, args_size=1
     0: iconst_1
     1: istore_1
     2: iconst_2
     3: istore_2
     4: iload_0
     5: iload_1
     6: iadd
     7: iload_2
     8: iadd
     9: ireturn
     LineNumberTable:
     line 10: 0
     line 11: 2
     line 12: 4</pre>

• 上面反编译的locals就是代表局部变量表长度为3，也就是经过编译后，局部变量表的长度已经确定为3，分别保存：入参k和局部变量i,j

• 注意：系统不会为局部变量赋予初始值

2. 操作数栈

   操作数栈也被称为操作栈，是一个后入先出栈，用于局部变量表中数据进行计算的场所。

   • 当一个方法刚刚开始执行的时候，这个方法的操作数栈式空的，当方法执行的过程中，会有各种字节码指令被压入和弹出操作数栈

   • 比如上面的 iadd指令就是将操作数栈中栈顶的两个元素弹出，执行加法运算，并将结果重新压入到操作数栈中

   • 同局部变量表一样，操作数栈的最大深度也在编译的时候写入方法的Code属性表中的max_stacks数据项中。栈中的元素可以式任意java数据类型，包括long和double

3. 动态连接

   • 动态链接的主要目的是为了支持方法调用过程中的动态链接

   • 在一个class文件中，一个方法要调用其他方法，需要将这些方法的符号引用转化为其所在内存地址中的直接引用，而符号引用存在于方法区中

4. 返回地址

   • 当一个方法开始执行后，只有两种方法可以退出这个方法：

     • 正常退出：指方法中的代码正常完成，或者遇到任意一个方法返回的字节码指令（如return）并退出，没有抛出任何异常

     • 异常退出：指方法执行过程中遇到异常，并且这个异常再方法体内部没有得到处理，导致方法退出

   • 无论当前方法采用何种方式退出，在方法退出后都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行。而虚拟机栈中的“返回地址”就是用来帮助当前方法恢复它的上层方法执行状态

   • 一般来说，方法正常退出时，调用者的PC计数值可以作为返回地址，栈帧中可能保存此计数值。而方法异常退出时，返回地址是通过异常处理器表确定的，栈帧中一般不会保存此部分信息。

实例讲解

public int add1() {
 int i = 1;
 int j = 2;
 int result = i + j;
 return result + 10;
 }

对应的字节码和解释：

 public int add1();
 descriptor: ()I
 flags: ACC_PUBLIC
 Code:
 stack=2, locals=4, args_size=1
 0: iconst_1      （把常量 1 压入操作数栈栈顶）
 1: istore_1      （把操作数栈栈顶元素出栈放入局部变量表索引为 1 的位置）
 2: iconst_2      （把常量 2 压入操作数栈栈顶）
 3: istore_2      （把操作数栈栈顶元素出栈放入局部变量表索引为 2 的位置）
 4: iload_1          （把局部变量表索引为 1 的值放入操作数栈栈顶）
 5: iload_2          （把局部变量表索引为 2 的值放入操作数栈栈顶）
 6: iadd          （将操作数栈出栈两个元素，进行加法运算后，结果放入栈顶）
 7: istore_3      （把操作数栈栈顶元素出栈放入局部变量表索引为 3 的位置）
 8: iload_3          （把局部变量表索引为 3 的值放入操作数栈栈顶）
 9: bipush        10  （把常量 10 压入操作数栈栈顶）
 11: iadd          （将操作数栈出栈两个元素，进行加法运算后，结果放入栈顶）
 12: ireturn          （结束返回）
 LineNumberTable:
 line 16: 0
 line 17: 2
 line 18: 4
 line 19: 8</pre>

• 从上面字节码指令可以看出，在代码执行期间，局部变量表和操作数栈式协同合作来完成某一运算效果的。

• 各指令意思

  • iconst和bipush：这两个指令都是将常量压入操作数栈顶，区别就是：当int取值-1_{5采用iconst指令，取值-128}127采用bipush指令

  • istote：将操作数栈顶的元素放入局部变量表的某索引位置，比如isote_5代表将操作数栈顶元素放入局部变量表下标为5的位置

  • iload表示将局部变量表中某下标的值加载到操作数栈顶中，比如iload_2代表将局部变量表索引为2上的值压入操作数栈顶。

  • iadd代表加法运算，具体式将操作数栈顶最上方的两个元素进行相加操作，然后将结果重新压入栈顶

3.本地方法栈

• 本地方法栈和虚拟机栈基本相同，只不过式针对本地（native）方法。在开发中如果涉及JNI调用可能会接触本地方法栈多一些。

• 在有些虚拟机中的实现中已经将两个合二为一了（比如HotSpot）。

4.堆

• Java堆（Heap）是JVM所管理的内存中最大的一块，该区域唯一目的就是存放对象实例，几乎所有对象的实例都在堆内存分配。

• 因此他也是Java垃圾收集器（GC）管理的主要区域，有时候也叫做“GC堆”

• 同时他也是所有线程共享的内存区域，因此被分配在此区域的对象如果被多个线程访问的话，需要考虑线程安全问题

• 按照对象存储时间的不同，堆中内存可以划分为新生代和老年代，其中新生代又被划分为Eden和Survivor区

  • 图中不同的区域存放具有不同生命周期的对象，这样可以根据不同区域使用不同的垃圾回收算法，提高垃圾回收效率

3.堆内存分配图.png

5.方法区

• 方法区是jvm规范里规定的一块运行时数据区

• 方法区主要是存储已经被jvm加载的类信息（版本，字段，方法，接口），常量，静态变量，即时编译器编译后的代码和数据

• 方法区数据区域同堆一样，也是被各个线程共享的内存区域

• 注意方法区于永久区的区别

  • 方法区是规范层面的东西，规定了这一区域要存放那些数据

  • 永久区或者是metaspace（元空间）是对方法区的不同实现，是实现层的东西

6.常见异常

• StackOverflowError 栈溢出异常

• OutOfMemoryError 内存溢出异常：大多发生在堆当中

总结

• JVM的运行时内存结构中一共又两个“栈”和一个“堆”，分别是：Java虚拟机栈和本地方法栈，以及“GC堆”和方法区，还有一个程序计数器。

• JVM内存中只有堆和方法区是线程共享的数据区域，其他区域都是线程私有的。

• 程序计数器是唯一一个在java虚拟机规范中没有归档任何OutOfMemoryError情况的区域

4.总结图-程序运行时内存分配.png