一點一滴探究 JVM 以內存結構

前言

我一直嘗試着用不同的文字來寫博客！緣由很簡單，你講的知識書上都有，那麼每一個人爲何不選擇看書而選擇看你的博文來學習呢？由於書上的內容都是大片大片描述性的文字，對於jvm這塊的知識，又是異常枯燥，但又不能不學習的硬骨頭！這剛好也就能說明Head First系列的書籍爲何比較火的緣由，每一個人接收圖形知識的速度每每比文字性的東西要快不少。從此我也會嘗試用本身的特點來寫博客，儘可能能引發讀者的興趣，能從中學到東西，我就滿足了！

今天的一點一滴探究JVM系列，打算複習一下jvm內存結構！至於學習這塊知識的好處？一，從面試的角度來看，你瞭解jvm，而且java基礎紮實，你才更有競爭力(由於我本人本科還沒畢業，因此考慮問題常常從面試者的角度來考慮)。其二，提升你對java的理解，知道你建立的每個對象，每個變量，都在什麼地方，若是不知道這些稀裏糊塗得寫代碼，總會有一天會」翻車」的！好了，廢話很少說了，咱們開始正題吧！

開始以前

Java與C++之間有一堵由內存動態分配和垃圾收集技術所圍成的」牆」, 牆外的人想進去，牆內的人想出來。 或許你常常看到StackOverFlowError， OutOfMemoryError無從下手，由於你壓根不知道，到底是什麼東西形成內存爆了，固然，你也沒法解決！

舉個簡單的例子

public class test {
    private int f() {
        f();
    }
    public static void main(String[] args) {
        f();
    }
}
複製代碼

這個簡單的遞歸，不對，它不算是遞歸，由於沒有終止條件，可是你知道它最終會報什麼錯誤，知道爲何會報這個錯誤嗎？到底是那塊內存發生了錯誤?

這個問題，咱們留在後面回答，是留在後面你本身解答，看完這篇博文，不用我說，這些問題你都會很清楚！相信我！

目標

你可能會好奇，你看完這篇文章你能學到什麼?

清楚你的對象會被分配在哪裏(不絕對) 理解哪些區域對線程來講是私有區，哪些區域是線程共享區域 知道方法調用發生了什麼？ … 等等等，你可能還會解釋你之前遇到一些匪夷所思的問題！總之，你若是以前沒了解過這些知識，那麼這些東西對你來講，就是成長！

牆內的世界

你可能很好奇，牆內到底是什麼樣？接下來跟着我一探究竟

上圖就是jvm比較詳細的內存劃分，下面咱們來按線程私有共享來劃分jvm內存區

下面咱們來着重介紹一下這幾塊內存區域

程序計數器(Program Counter Register)

什麼是程序計數器呢，學過彙編的都知道，cs:ip組成的物理地址是下一條要執行的指令的地址，來吧！看圖

咱們能夠很清楚的看到，當前cs:ip指向的內存地址剛好就是咱們要執行的下一條指令的位置，前面咱們圖中(按線程私有共享劃分jvm內存的圖)又說了，程序計數器是線程私有的，再聯想一下我舉cs:ip的例子，咱們能夠很天然的想到，程序計數器其實就是記錄線程當前執行到了哪一條指令，由於什麼要記錄這個值呢？由於，若是咱們有不少個線程，線程執行順序又是不可預料的，假如某一時刻咱們在執行線程A裏面的指令，而後線程B又得到了cpu的資源，去執行去線程B的指令，假如再過了一段時間以後，A又得到了cpu的資源，想吃回頭草，此時回到線程A執行，它不知道要執行線程A的哪條指令！這是沒有程序計數器所造成的尷尬局面，可是有了線程私有的程序計數器，這個問題就不存在了，這就是程序計數器出現的緣由，以及它的用處，我想你看完這段文字，應該已經對程序計數器這個概念徹底理解了！

另外，我須要說明的一點是，程序計數器是Java虛擬機規範中惟一一個沒有規定任何內存錯誤的區域！

虛擬機棧(Vm Stack)

這塊區域是幹啥的？爲啥也是線程私有的？

虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型 咱們來解讀這句話，爲何說Vm Stack是描述Java方法執行的內存模型呢？其實：

每一個方法執行的時候都會建立一個棧幀(Stack Frame)的東西，學過c/c++的應該都對這個概念熟悉。棧幀用於存儲局部變量表、操做數棧、動態連接、方法出口信息等。每一個方法從調用開始到結束的過程，都對應這Vm Stack中的入棧出棧的過程！這也就能回答開頭咱們看到的那個問題了，很簡單錯誤在單線程狀況下確定是StackOverFlowError，多線程下OutOfMemoryError(上圖已經寫得很清楚了)

好比

public void test() {
    String name = "stormma";
    int age = 21;
}
JAVA架構羣：678779467
複製代碼

上面的例子的age變量和name引用都是存儲在虛擬機棧的棧幀裏面的(由於咱們前面說過了，一個方法從開始調用到結束調用的過程都對應着一個Vm Stack出棧入棧的過程)。

咱們前面說了，這塊區域存儲了局部變量表，操做數棧，動態連接，還有方法出口信息等，我想你應該比較好奇這幾個概念。

局部變量表: 局部變量表是一組變量值存儲空間，用於存放方法參數和方法內部定義的局部變量，其中存放的數據的類型是編譯期可知的各類基本數據類型、對象引用(reference)和(returnAddress)類型（它指向了一條字節碼指令的地址）。局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成計算的，即在Java程序被編譯成Class文件時，就肯定了所需分配的最大局部變量表的容量。當進入一個方法時，這個方法須要在棧中分配多大的局部變量空間是徹底肯定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

操做數棧: 操做數棧又常被稱爲操做棧，操做數棧的最大深度也是在編譯的時候就肯定了。32位數據類型所佔的棧容量爲1, 64位數據類型所佔的棧容量爲2。當一個方法開始執行時，它的操做棧是空的，在方法的執行過程當中，會有各類字節碼指令（好比：加操做、賦值元算等）向操做棧中寫入和提取內容，也就是入棧和出棧操做。Java虛擬機的解釋執行引擎稱爲「基於棧的執行引擎」，其中所指的「棧」就是操做數棧。所以咱們也稱Java虛擬機是基於棧的，這點不一樣於Android虛擬機，Android虛擬機是基於寄存器的。基於棧的指令集最主要的優勢是可移植性強，主要的缺點是執行速度相對會慢些；而因爲寄存器由硬件直接提供，因此基於寄存器指令集最主要的優勢是執行速度快，主要的缺點是可移植性差

動態連接: 每一個棧幀都包含一個指向運行時常量池（在方法區中，後面介紹）中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是爲了支持方法調用過程當中的動態鏈接。Class文件的常量池中存在有大量的符號引用，字節碼中的方法調用指令就以常量池中指向方法的符號引用爲參數。這些符號引用，一部分會在類加載階段或第一次使用的時候轉化爲直接引用（如 final、static 域等），稱爲靜態解析，另外一部分將在每一次的運行期間轉化爲直接引用，這部分稱爲動態鏈接。

方法返回地址: 當一個方法被執行後，有兩種方式退出該方法：執行引擎遇到了任意一個方法返回的字節碼指令或遇到了異常，而且該異常沒有在方法體內獲得處理。不管採用何種退出方式，在方法退出以後，都須要返回到方法被調用的位置，程序才能繼續執行。方法返回時可能須要在棧幀中保存一些信息，用來幫助恢復它的上層方法的執行狀態。通常來講，方法正常退出時，調用者的PC計數器的值就能夠做爲返回地址，棧幀中極可能保存了這個計數器值，而方法異常退出時，返回地址是要經過異常處理器來肯定的，棧幀中通常不會保存這部分信息。方法退出的過程實際上等同於把當前棧幀出站，所以退出時可能執行的操做有：恢復上層方法的局部變量表和操做數棧，若是有返回值，則把它壓入調用者棧幀的操做數棧中，調整PC計數器的值以指向方法調用指令後面的一條指令。 我想關於這個區域的東西我已經介紹完了，我想你也應該懂了。

下面咱們來下一個區域: 堆(heap)

堆(Heap)

堆區，是一塊頗有意思的區域，爲啥有意思，由於這塊區域是全部線程共享的，也是咱們大部分的對象的聚居地(爲啥說是大部分呢？這個概念咱們以後的文章會進行詳細的講解，若是你特別好奇，能夠看一下我以前的文章, Java逃逸分析)！也是jvm管理的最大一塊內存(對了，上面的圖的大小不表明內存佔比，只是爲了看着舒服而已)!也是gc開展工做的主要區域。

堆內存中分爲一塊區域，用於存儲類信息，靜態變量等等數據，這一塊區域以前叫作方法區後面又叫永久帶，以後更名叫作Meta-Area/Meta Space Area，元數據空間，名字不重要，咱們要清楚這塊區域是什麼做用就好了！

Meta-Area

這塊區域也是線程共享的區域，它主要存儲jvm加載類的類信息，類變量，常量(這個在meta-area的常量區)，即時編譯器編譯後的代碼等數據。

運行時常量區

這個區域是Meta-Area的一部分，用於存放編譯器生成的各類字面量和符號引用，這部份內容將在類加載後存放到方法區的運行時常量池中。這在咱們的上一篇博客有所涉及。

枯燥概念性的東西看完以後，咱們來看一個例子，來加深一下這塊的印象：

public void test() {
    Object obj = new Object();
}
JAVA架構羣：678779467
複製代碼

對於這段代碼會涉及Vm Stack、Java Heap、Meta-Area三個最重要的內存區域。

結合咱們前面的例子，由於test()方法涉及到Vm Stack區，我想你應該明白，obj會存放在局部變量表中，new Object()，咱們前面說過咱們大部分的對象都會存儲在Java Heap這個區域，因此，Java Heap存儲了這個實例對象！那麼你會很好奇，Meta-Area爲啥會涉及到呢？

咱們知道Meta-Area存儲了類的信息，類變量常量等等東西！由於咱們實例化Object對應的時候，要用到Object這個類的信息，因此它會訪問Meta-Area的Object.class這個Class對象來得到一些實例化對象須要的東西。

對了，做爲補充，我想你還須要知道, obj引用怎麼你能訪問到Java Heap區的那個實例化對象

有兩種方式，一種使用過句柄指針(學過c/c++對這些概念應該會很熟悉)

還有一種就是經過指針直接訪問

上圖來自深刻理解JVM一書

本地方法棧(Native Method Stack)

這塊區域相對來講，沒有前面幾個概念重要。

該區域與虛擬機棧所發揮的做用很是類似，只是虛擬機棧爲虛擬機執行Java方法服務，而本地方法棧則爲使用到的本地操做系統（Native）方法服務。

好比Java調用c/c++/彙編就用到這塊區域

結尾

我想你看完這篇博文，應該達到了咱們文章開始以前的目標！這篇文章介紹的比較淺顯，本着用例子來解釋說明內存區域的做用，這樣我想你會更容易接收，總比大片的文字描述讓你更有興趣！若是你有什麼建議或者疑惑，能夠經過GitHub聯繫我！