JVM学习笔记

转自：https://www.cnblogs.com/qingyunzong/p/8973748.html
按照自己理解加粗了重点
@TODO http://ddrv.cn/a/29336

一、JVM的结构图

1.1 Java内存结构

Java内存结构

JVM内存结构主要有三大块：堆内存、方法区和栈。

• 堆内存是JVM中最大的一块由年轻代和老年代组成，
  而年轻代内存又被分成三部分，Eden空间、From Survivor空间、To >Survivor空间,默认情况下年轻代按照8:1:1的比例来分配；
• 方法区存储类信息、常量、静态变量等数据，是线程共享的区域，为与Java堆区分，方法区还有一个别名Non-Heap(非堆)；
• 栈又分为java虚拟机栈和本地方法栈主要用于方法的执行。

1.2 如何通过参数来控制各区域的内存大小

如何通过参数来控制各区域的内存大小

1.3 控制参数

-Xms设置堆的最小空间大小。
-Xmx设置堆的最大空间大小。

-XX:NewSize设置新生代最小空间大小。
-XX:MaxNewSize设置新生代最大空间大小。

-XX:PermSize设置永久代最小空间大小。
-XX:MaxPermSize设置永久代最大空间大小。

-Xss设置每个线程的堆栈大小。

#没有直接设置老年代的参数，但是可以设置堆空间大小和新生代空间大小两个参数来间接控制。
#老年代空间大小 = 堆空间大小-年轻代大空间大小

1.4 JVM和系统调用之间的关系

JVM和系统调用之间的关系

方法区和堆是所有线程共享的内存区域；
而java栈、本地方法栈和程序员计数器是运行是线程私有的内存区域。

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二、JVM各区域的作用

2.1 Java堆（Heap）

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。
Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。
此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。
如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，
所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；
再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，
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，也可以是可扩展的，
不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2 方法区（Method Area）

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，
它用于存储已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。
虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，
但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，
很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），
本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，
或者说使用永久代来实现方法区而已。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，
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，但并非数据进入了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，条件相当苛刻，
但是这部分区域的回收确实是有必要的。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

2.3 程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，
它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），
字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，
分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
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）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，
各条线程之间的计数器互不影响，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Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。

此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。

2.4 JVM栈（JVM Stacks）

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。
虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：
每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（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。
每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

• 局部标量表是一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量，
  在Class 文件的方法表的 Code 属性的 max_locals 数据项中指定了该方法所需局部变量表的最大容量。
  变量槽 （Variable Slot）是局部变量表的最小单位，没有强制规定大小为 32 位，虽然32位足够存放大部分类型的数据。
  占用一个Slot ：boolean、byte、char、short、int、float、reference 和 returnAddress 8种类型
  占用两个Slot：64位长度的long和double类型的数据
  reference表示对一个对象实例的引用，通过它可以得到对象在Java 堆中存放的起始地址的索引和对象所属数据类型在方法区的类型信息。
  returnAddress则指向了一条字节码指令的地址。
  虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表，索引值的范围从0开始到局部变量表最大的Slot数量。之前我们知道，局部变量表存放的是方法参数和局部变量。
  当调用方法是非static 方法时，局部变量表中第0位索引的 Slot 默认是用于传递方法所属对象实例的引用，即 “this” 关键字指向的对象。分配完方法参数后，便会依次分配方法内部定义的局部变量。

• 操作数栈（Operand Stack）也常称为操作栈，是一个后入先出栈。
  在Class 文件的Code 属性的 max_stacks 指定了执行过程中最大的栈深度。
  Java 虚拟机的解释执行引擎称为”基于栈的执行引擎“，这里的栈就是指操作数栈。
  方法执行中进行算术运算或者是调用其他的方法进行参数传递的时候是通过操作数栈进行的。
  在概念模型中，两个栈帧是相互独立的。
  但是大多数虚拟机的实现都会进行优化，令两个栈帧出现一部分重叠。
  令下面的部分操作数栈与上面的局部变量表重叠在一块，
  这样在方法调用的时候可以共用一部分数据，无需进行额外的参数复制传递。

• 动态连接（Dynamic Linking）：每个栈帧都包含一个执行运行时常量池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（Dynamic Linking）。
  Class 文件的常量池中存放了大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就是以常量池中指向方法的符号引用作为参数。
  这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用时转化为直接引用，这种转化称为静态解析。
  另一部分将在每一次运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

• 方法返回地址
  当一个方法开始执行以后，只有两种方法可以退出当前方法：
  (1) 当执行遇到返回指令，会将返回值传递给上层的方法调用者，这种退出的方式称为正常完成出口（Normal Method Invocation Completion），一般来说，调用者的PC计数器可以作为返回地址。
  (2) 当执行遇到异常，并且当前方法体内没有得到处理，就会导致方法退出，此时是没有返回值的，称为异常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion），返回地址要通过异常处理器表来确定。
  当方法返回时，可能进行的3个操作：
  (1) 恢复上层方法的局部变量表和操作数栈；
  (2) 把返回值（如果有的话）压入调用者栈帧的操作数栈；
  (3) 调整 PC 计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；
• 如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

虚拟机栈

2.5 本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈（JVM Stacks）所发挥的作用是非常相似的，
其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，
而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。