JVM

JVM（Java Virtual Machine Java 虛擬機(jī)）是一種用于計(jì)算設(shè)備的規(guī)范，基于這套規(guī)范，許多團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多種不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，目前使用范圍最廣的是從 Sun 公司開始，到 Oracle 后一直在使用 的 HotSpot 以及 Open JDK，二者一個(gè)由 Oracle 公司維護(hù)，一個(gè)由開源社區(qū)維護(hù)，使用起來并沒有太大差別。

$java -version
java version "1.8.0_91"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_91-b14)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.91-b14, mixed mode)

根據(jù) Java 虛擬機(jī)規(guī)范 規(guī)定，Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存將會(huì)包括以下幾個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域，如圖所示：

JVM 運(yùn)行時(shí) 內(nèi)存結(jié)構(gòu)

1. 程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register)

線程私有。程序計(jì)數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。

字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)登記處功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來完成。

為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每個(gè)線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間的計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)。

如果正在執(zhí)行的是 Native 方法，則計(jì)數(shù)器為空。

程序計(jì)數(shù)器，是唯一一個(gè)在java虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何Out Of Memory Error的區(qū)域。

2. Java虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks ）

也是線程私有的，生命周期與線程相同。

虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：

每一個(gè)方法從調(diào)用到完成，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀（Stack Frame）在虛擬機(jī)中入棧到出棧的過程，棧幀用于局部變量表(Local Variables)、操作數(shù)棧(Operand Stack)、指向當(dāng)前方法所屬的類的運(yùn)行時(shí)常量池的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(ReturnAddress)和一些額外的附加信息。

棧幀結(jié)構(gòu)

• 局部變量表（Current Variable Table）
  局部變量表是用來存儲(chǔ)方法中的局部變量（包括在方法中聲明的非靜態(tài)變量以及函數(shù)形參）。對(duì)于基本數(shù)據(jù)類型的變量，則直接存儲(chǔ)它的值，對(duì)于引用類型的變量，則存的是指向?qū)ο蟮囊?。局部變量表的大小在編譯器就可以確定其大小了，因此在程序執(zhí)行期間局部變量表的大小是不會(huì)改變的。
• 操作數(shù)棧（Operand Stack）
  操作數(shù)棧也常被稱為操作棧。和局部變量區(qū)一樣，操作數(shù)棧也是被組織成一個(gè)以字長(zhǎng)為單位的數(shù)組。但是和前者不同的是，它不是通過索引來訪問，而是通過標(biāo)準(zhǔn)的棧操作—壓棧和出棧—來訪問的。比如，如果某個(gè)指令把一個(gè)值壓入到操作數(shù)棧中，稍后另一個(gè)指令就可以彈出這個(gè)值來使用。虛擬機(jī)在操作數(shù)棧中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式和在局部變量區(qū)中是一樣的：如int、long、float、double、reference和returnType的存儲(chǔ)。對(duì)于byte、short以及char類型的值在壓入到操作數(shù)棧之前，也會(huì)被轉(zhuǎn)換為int。程序中的所有計(jì)算過程都是在借助于操作數(shù)棧來完成的。
• 動(dòng)態(tài)鏈接（Dynamic Linking）
  指向運(yùn)行時(shí)常量池的引用，因?yàn)樵诜椒▓?zhí)行的過程中有可能需要用到類中的常量，所以必須要有一個(gè)引用指向運(yùn)行時(shí)常量。
• 返回地址（Return Adress）
  方法返回地址，當(dāng)一個(gè)方法執(zhí)行完畢之后，要返回之前調(diào)用它的地方，因此在棧幀中必須保存一個(gè)方法返回地址。

平常我們把java分為堆內(nèi)存和棧內(nèi)存，其中的“棧”就是現(xiàn)在講的虛擬機(jī)棧，或者說是虛擬機(jī)棧中局部變量表部分。

對(duì)于java虛擬機(jī)棧，有兩種異常情況：

• 如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；
• 如果虛擬機(jī)棧在動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)，無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出OutOfMemoryError。

Java虛擬機(jī)的解釋執(zhí)行引擎被稱為“基于棧的執(zhí)行引擎”，其中所指的“?！本褪遣僮鲾?shù)棧。

因此我們也稱Java虛擬機(jī)是基于棧的，這點(diǎn)不同于Android虛擬機(jī)，Android虛擬機(jī)是基于寄存器的。

3. 本地方法棧（Native Method Stack）

線程私有。

本地方法棧和虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用非常相似，它們之間的區(qū)別主要是，虛擬機(jī)棧是為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)的，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。

與虛擬機(jī)棧類似，本地方法棧也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

4. Java堆（Java Heap）

所有線程共享。

Java堆在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。

Java堆的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例和數(shù)組。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此也被稱為“GC堆”。

從內(nèi)存回收的角度來看，由于現(xiàn)在的收集器大都采用分代收集算法，所以Java堆可以細(xì)分為：新生代和老年代；

再細(xì)分一點(diǎn)：Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。

從內(nèi)存分配角度來看，線程共享的Java堆可以劃分出多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)。

但是不管怎么劃分，哪個(gè)區(qū)域，存儲(chǔ)的都是對(duì)象實(shí)例。

Java堆物理上不需要連續(xù)的內(nèi)存，只要邏輯上連續(xù)即可。

如果堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且也無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

5. 方法區(qū)（Method Area）

所有線程共享。

用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

方法區(qū)結(jié)構(gòu)上和 Heap 一致，也有一個(gè)別名叫做Non-Heap（非堆），用于與Java堆區(qū)分。

對(duì)于HotSpot虛擬機(jī)來說，方法區(qū)又習(xí)慣稱為“永久代”（Permancent Generation 現(xiàn)被元空間（Metaspace）代替），但這只是對(duì)于HotSpot虛擬機(jī)來說的，其他虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)上并沒有這個(gè)概念。

相對(duì)而言，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域比較少出現(xiàn)，但也并非不會(huì)來收集，這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載上。

當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿足內(nèi)存需求時(shí)會(huì)拋出 OutOfMemoryError 異常。

6. 運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）

在Class文件中除了類的字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池，用來存儲(chǔ)編譯期間生成的字面量和符號(hào)引用。

運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)。

避免了頻繁的創(chuàng)建和銷毀對(duì)象而影響系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)象的共享，節(jié)省了內(nèi)存空間和運(yùn)行時(shí)間。

值得說明的是，運(yùn)行時(shí)常量池具備動(dòng)態(tài)特性，常量不止在編譯期可以產(chǎn)生，在運(yùn)行期間也可以產(chǎn)生，比如String的intern方法。

參見：
java 1.8 SE 官方文檔： https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.5
JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu) VS Java內(nèi)存模型 VS Java對(duì)象模型：http://www.hollischuang.com/archives/2509
什么是HotSpot VM & 深入理解Java虛擬機(jī) JVM：https://www.cnblogs.com/charlesblc/p/5993804.html
Java虛擬機(jī)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)：https://www.duyidong.com/2018/01/31/jvm/