JVM基础 - 内存结构 -- 01

一.JVM是什么

JVM是Java Virtual Machine的缩写，即JAVA虚拟机。JVM 是运行Java 程序的跨系统平台。JVM针对不同操作系统，实现了不同版本JVM，为JAVA程序运行屏蔽了底层操作系统差异，使得JAVA程序具备跨平台特性。

随着JVM 发展，已经支持运行其它语言，例如 groovy 脚本语言， Scala函数式语言，Kotlin、JRuby 等。

二. JVM 架构模型

JVM 是基于栈的指令集架构设计的, 实现跨平台特性。

目前主流有两种架构指令集：

基于栈式架构：

1.设计实现简单，适用资源受限的系统。

2.避开寄存器分配难。使用零地址指令方式分配。

3.由于指令都是零地址，指令运行依赖于操作栈，指令集小，编译容易实现。

4.不需要硬件支持，可移植性好，更容易实现跨平台。

基于寄存器架构：

1.指令集架构完全依赖硬件，可移植性差。

2.指令执行高效，性能强。

3.花费更少的指令执行操作。

4.大部分基于寄存器的指令，都是基于地址指令设计。

典型的 X86二进制指令，以及 Android 的 Davlik 虚拟机指令。

二.JVM内存结构

JVM运行时，内存结构由程序运行相关的程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈和方法区，堆组成。

程序计数寄存器(Program Counter Register):

寄存器用来存储下一条指令的地址，让执行引擎读取下一条指令。每个线程栈对应一个寄存器。线程中断或恢复时，通过寄存器保存执行指令地址，可以快速恢复执行。

JAVA虚拟机栈(JVM Stacks):

每个线程在创建时，都会对应创建一个虚拟机栈。虚拟机栈内部由一个个栈帧(Stack Frame)组成，一个栈帧对应一个方法的调用。栈帧由局部变量表，操作栈，动态链接，方法返回地址组成。

1.当虚拟机栈设置为固定大小时，可能抛出 StackOverflowError 异常。（-Xss 设置虚拟机栈最大可用空间)

2.当虚拟机栈设置为动态扩展时，可能抛出 OutofMemoryError 异常。

JVM对虚拟机栈的栈帧进行压栈和出栈操作。遵循先进后出 / 后进先出原则。在运行线程中，具体某个时间点，只有一个活动栈帧，即栈顶栈帧是有效的。这个栈帧称为当前栈帧（Current Frame),

对应的方法称为当前方法(Current Method),定义当前方法的类，称为当前类（Current Class)。执行引擎只针对当前栈帧操作。

JAVA 有两种退出当前方法的方式，一种是方法正常返回，使用 return 指令(void 返回值默认在方法最后面添加return 指令)；另一种是抛出异常。这两种方式，最终会导致栈帧被弹出。

局部变量表(Local Variables):是一个数字数组，主要用于存储方法的参数(形参)和在方法内定义的局部变量。数据类型包括基本数据类型，对象引用以及 returnAddress 类型。在方法内定义局部变量是线程私有，不存在数据安全问题。即不会出现被其它线程修改，导致出现并发问题。但由形参传递过来的引用类型则看具体使用情况。比如：String类型是final修饰的类，不可变类，虽然是引用类型，但也不存在并发问题。局部变量表的大小在编译期间就确定了，保存在方法code属性 maximum local variables 的数据项中。运行期不会改变大小。方法调用结束后，随着方法栈帧一起销毁。

局部变量表的基本存储单元是变量槽(Slot)，32bit(4字节)长度。数据类型中，用32bit(4字节)来表示的类型(int,char)，占用一个变量槽（包括 returnAddress 类型)，64bit(8字节)(long，double）的占用两个变量槽。

byte，short, char 在存储前都会转换为 int类型。boolean 也会转换成int类型， 0-表示false，非0表示true。

当前方法是实例方法时，该对象引用this将会保存在局部变量第一个变量槽。即index = 0。其它变量依次按参数定义顺序排列。

局部变量表的槽位是可以重复使用的。

局部变量表的变量(除this变量以外)必须手动赋值，否做无法使用。

局部变量表的变量是垃圾回收的跟节点，只要被局部变量表直接或间接引用的变量，都不会被回收。

操作数栈(Operand Stack)或表达式栈:在方法执行过程中，根据字节指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈(push)和出栈(pop)。

操作数栈主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。

操作数栈深度在编译期间确定好，具体值保存在 code属性中max_stack的值。

操作数栈中可以保存任何数据类型。32bit(4字节)占一个栈单位深度，64bit(8字节)占两个栈单位深度。

操作数栈通过标准入栈(push)或出栈(pop)操作来完成一次数据访问。非访问索引式访问。

解释引擎是基于栈的执行引擎，而操作数栈就是栈的具体实现。

栈顶缓存技术(Top-of-Stack): 操作数存储在内存中，频繁的读取会影响执行速度。HotSpot JVM的设计者提出栈顶缓存，将栈顶元素全部缓存在物理CPU寄存器上，降低对内存的读写次数，提高执行引擎的执行效率。

动态链接(Dynamic Linking): 每个栈帧内部都有一个引用，记录该方法在运行时常量池中的位置。这个引用是为了支持当前方法的代码实现动态链接(Dynamic Linking)。invokeDynamic 指令。Java源文件编译到字节码文件中时，变量和方法引用都作为符合引用(Symbolic Reference)保存在class文件的常量池中。动态链接将这些符号引用转换成调用方法的直接引用。

方法返回地址(Return Address):调用该方法的PC寄存器的值。

附加信息: 与JVM实现相关的一些附加信息。对程序调试提供支持的信息。

本地方法栈(Native Method Stacks): Java调用非Java代码的接口。本地方法，在Java中用native修饰的方法，在C/C++中通过JNI方式实现。通过本地方法，Java可以直接和操作系统交互。

堆区(Heap): 在JVM启动时，即创建堆。堆是JVM管理的最大一块内存空间。Java 所有线程共享堆空间，并且线程还可以划分线程私有的缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)。对象实例和数组默认都分配在堆上。方法结束后，堆中对象并不会马上被回收，而是在垃圾清理时进行。GC(Garbage Collection,垃圾收集器) 执行垃圾回收主要就是关注堆回收的效率。

-Xms：表示堆的起始内存大小。等价于 -XX:InitialHeapSize。默认情况，物理电脑内存 / 64。

-Xmx: 表示堆的最大内存空间。等级于 -XX:MaxHeapSize。默认情况，物理电脑内存 / 4 。

当堆内存超过 mx 配置大小，抛出 OutofMemoryError 异常。

生产环境，一般将 -Xms 和 -Xmx 设置为相同的值，避免垃圾回收重新分配堆大小，提高性能。

堆中的对象分为两类：

1.生命周期较短的瞬时对象。

2.生命周期非常长的对象。

配置堆中新生代和老年代的结构占比：

默认 -XX:NewRatio=2,表示新生代占1，老年代占2，即新生代占整个堆的1/3。

Eden 和两个Survivor 空间默认配置 -XX:SurvivorRatio=8，即默认占比例 8:1:1。

对象的内存布局：

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中分成三个部分：对象头(Header)，实例数据(Instance Data)，对齐填充(Padding)。

32位中：

MarkWord:4字节;

class对象指针(Klass Pointer)： 4字节。

实例数据(Instance Data): 实际数据大小。

对齐填充(Padding)：按8 字节对齐。

64位中：

MarkWord:8字节;

class对象指针(Klass Pointer)： 8字节。开启压缩指针则4字节。jdk7之后默认开启。

实例数据(Instance Data): 实际数据大小。

对齐填充(Padding)：按8 字节对齐。

对象头(Header)：
- Mark Word(标记字段)：关于锁的信息。对象的Mark Word部分占4个字节/8个字节，表示对象的锁状态（比如轻量级锁的标记位，偏向锁标记位），另外还可以用来配合GC分代年龄、存放该对象的hashCode等。
- Klass Pointer（Class对象指针）：Class对象指针的大小也是4个字节/8个字节，其指向的位置是对象类型对应的Class信息实例（其对应的元数据对象）的内存地址。
- 数组长度：如果对象是数组类型，占用4个字节/8个字节，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组长度。
Instance Data（对象实例数据）：这里面包括了对象的所有成员变量，其大小由各个成员变量的大小决定，比如：byte和boolean是1个字节，short和char是2个字节，int和float是4个字节，long和double是8个字节，reference是4个字节。
padding data（对齐）：如果上面的数据所占用的空间不能被8整除，padding则占用空间凑齐使之能被8整除。被8整除在读取数据的时候会比较快。

实例分析：

java.lang.String 类:

对象	字节数	对齐填充字节	实际内存大小	备注
Byte	13	3	16
Short	14	2	16
Integer	16	0	16	`Integer`对象的字段其实只有`value`一个，其他都是类变量。实际内存大小 = 对象头 + value属性 + 填充对齐字节 = 12 + 4 + 0 = 16字节
Long	20	4	24
Float	16	0	16
Double	20	4	24
Boolean	13	3	16
Character	14	2	16
String	20	4	24	Mark Word(标记字段) 8 字节, Klass Pointer（Class对象指针） 4字节(开启压缩指针), 实例字段 hash 是int 类型 4 字节，实例字段 value char数组，对象引用, 4字节,补齐 4字节。合计24字节。实际内存大小 = 对象头 + hash 字段 + value字段 + 填充对齐字节 = 12 + 4 + 4 + 4 = 24字节
Object	12	4	16	实际内存大小 = 对象头 + 填充对齐字节 = 12 + 4 = 16字节
`ArrayList`	24	0	24	实际内存大小 = 对象头 + modCount字段 + size字段 + elementData字段 + 填充对齐字节 = 12 + 4 + 4 + 4 + 0 = 24字节
`HashMap`	44	4	48	实际内存大小 = 对象头 + 字段 + 填充对齐字节 = 12 + 8 * 4 + 4 = 48字节