JVM 运行时数据区

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发布于: 2020 年 07 月 22 日
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JVM 的内存在不同的运行时数据区进行操作。包括方法区（method area）、堆（heap）、栈（stacks）、程序计数器（program counter registers）、本地方法栈（native method stacks）。其中堆、方法区是线程共享的，栈、本地方法栈、计数器是线程隔离的。
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程序计数器线程私有的一块较小的内存空间，每个新的线程启动后，就会被 JVM 在分配自己的程序计数器，通过计数器来指示下一条指令执行。这个内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
虚拟机栈当一个新线程启动的时候，JVM 会为线程创建独立的内存栈，其他的线程不能修改或访问该线程的栈帧。内存栈是由栈帧（Stack frame）构成，栈帧存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，栈帧的操作只有两种：出栈和入栈。
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当一个线程调用某个 Java 方法时，JVM 创建并将一个新帧压入到内存栈中，这个帧成为当前栈帧，当该方法执行的时候，JVM 使用操作数栈来存储局部变量、中间计算结果等数据，只有当前线程可以访问， 所以不用担心多线程同步访问 Java 的局部变量。方法有两种方式而结束：正常结束或异常结束。不论哪种，JVM 都会弹出或者丢弃该栈帧，上一帧的方法就成为了当前帧。
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JVM 允许指定 Java 栈的初始大小以及最大、最小容量。
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实例代码
public class Demo {
	public int math() {
		int a = 1;
		int b = 1;
		int c = (a + b) * 10;
    return c;
	}
  
  public static void main(String[] args) {
    Demo demo = new Demo();
    demo.math();
  }
}
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查看反编译代码
javac Demo.java => javap -c Demo.class
截取 math() 方法内容，指令参考 Java 指令手册
  public int math();
    Code:
       0: iconst_1
       1: istore_1
       2: iconst_1
       3: istore_2
       4: iload_1
       5: iload_2
       6: iadd
       7: bipush        10
       9: imul
      10: istore_3
      11: iload_3
      12: ireturn
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执行过程图示
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动态链接在运行期间，由符号引用转化为直接引用。
查看反编译内容，有如下代码段，其中有#标示的内容
 public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #2                  // class com/alex/Demo
       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: invokevirtual #4                  // Method math:()I
      12: pop
      13: return
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通过 javap -v Demo.class 命令查看更多反编译内容
Constant pool 为常量池，#4 对应着常量池中的内容，即方法引用 com/alex/Demo.math:()I，即符号引用。
Constant pool:
   #1 = Methodref          #5.#16         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #17            // com/alex/Demo
   #3 = Methodref          #2.#16         // com/alex/Demo."<init>":()V
   #4 = Methodref          #2.#18         // com/alex/Demo.math:()I
	...
   #10 = Utf8               math
   #11 = Utf8               ()I
   #12 = Utf8               main
   #13 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
   #14 = Utf8               SourceFile
   #15 = Utf8               Demo.java
   #16 = NameAndType        #6:#7          // "<init>":()V
   #17 = Utf8               com/alex/Demo
   #18 = NameAndType        #10:#11        // math:()I
当使用 new 新建一个对象时，对象存在于堆中，局部变量表存储对象的引用，指向堆中的对象，即直接引用。
动态链接：在程序运行期间，由符号引用转化为直接引用
静态链接：在类加载解析阶段，由符号引用转化为直接引用
本地方法栈若某线程正在执行一个本地 Java 方法（c/c++ 实现），该线程的本地方法内存栈中，保存了本地 Java 方法调用状态，其状态包括局部变量、被调用的参数、它的返回值、以及中间计算结果。 功能同虚拟机栈相同。
方法区在 JVM 内部，所有的线程共享相同的方法区。静态变量、常量、类信息（所有字段、方法）、运行时常量池（整形-128～127，执行 String.intern() 方法的 String）都存储在方法区。
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在 Java 8 以前方法区通常叫做持久代/永久代，在 Java 8 及以后成为元空间。
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运行时常量池是动态的，会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError: PermGen space 异常（Java 8 以后会抛出 OutOfMemoryError: Metaspace 异常）。
堆Java 堆在虚拟机启动的时候建立，是 Java 程序最主要的内存工作区域，也是垃圾收集器管理的主要区域。几乎所有的 Java 对象实例都存放在 Java 堆中，当对象无法在该空间申请到内存时，会抛出 OutOfMemoryError 异常。堆空间是所有线程共享的。
堆内存模型堆内存空间作为 JVM 的数据集中管理区，存取效率、空间释放（GC）就成为了重中之重，JVM 通过多区分代的架构来完成这两个目标的达成，主要分为新生代（Eden+Survivor0/1）和老年代（Tenured Space），并且有一定的比例设定。
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Java 8 之前共享内存结构
永久代（Permanent Generation）即方法区，与堆内存同为共享内存区。但是垃圾收集（GC）不会在主程序运行期对 PermGen space 进行清理，所以加载了很多 Class、过大的运行时常量池可能出现 PermGen space 错误。
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Java 8 及之后共享内存结构
在 Java 8 中，永久代被移除，取而代之的是本地元空间（Metaspace），JVM 开始使用本地化的内存，来存放类的元数据。
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为什么要分代分代的垃圾回收策略，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。
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分代垃圾回收采用分治的思想，进行代际的划分，把不同生命周期的对象放在不同代上，不同代上采用最适合它的垃圾回收方式进行回收。
对象生命周期
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每经过一次 YoungGC，age 增加1，通常 age > 15 时，对象会进入老年代，为什么是15次呢？
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先看一下 Java 的对象头信息，Java 对象头在 32 位机和 64 位机的表现是不同的，看看 64 位机下的表现（现在普遍都是 64 位机）。
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|                                  Mark Word (64 bits)                         |       State        |
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| unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |    Normal Object   |
|------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:54              | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |    Biased Object   |
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age 由 4 bits 表示年龄，范围 0～15
内存溢出场景Java 堆什么情况会溢出
堆内存大小由 -Xmx 和 -Xms 来调节，如果程序使用的内存超过了堆最大内存（-Xmx），则堆内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space。
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Java 方法区什么情况会溢出
方法区（永久代）大小由 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 来调节，加载类过多、运行时常量池加入过多数据有可能使永久代溢出 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。
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Java 8 以后移除了方法区，取而代之的是本地元空间 Metaspace，大小由 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 来调节，溢出的错误也变为 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace。
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Java 栈和本地方法栈什么情况会溢出
栈大小由 -Xss 来调节，方法调用层次太多会使栈溢出 java.lang.StackOverflowError。
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另外，线程太多也会占满栈区域（线程内分配了自己的栈，但是进程中所有线程可使用的栈总大小是一定的）也会抛出异常：java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
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