JVM-part-运行时数据区

运行时数据区组成部分：

  1. 程序计数器（PC寄存器 Program Counter Register）
  2. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）
  3. 本地方法栈（Native Method Stack）
  4. 堆（Heap）
  5. 方法区（Method Area）

其中存在线程共享和线程不共享的区域，如下：
线程共享：堆、栈
线程不共享：每一个线程都有的，程序计数器、本地方法栈

详细解释：

1、程序计数器：

他的作用是记录每一个线程当前正在执行的字节码的内存地址，便于在线程恢复的时候恢复执行**，避免了重复执行

2、Java虚拟机栈：

它是通过数组实现的一个栈结构（栈结构的特点是先进后出），每一个线程都存在自己的Java虚拟机栈，Java虚拟机栈中的基本元素为栈帧（Stack Frame），这里的栈帧其实就是我们调用的方法，调用一个方法，就会在Java虚拟机栈中压入一个栈帧，作为当前栈帧，也就是正在执行的方法；当一个方法结束的时候，就会将对应的栈帧进行弹出，将Java虚拟机栈中的下一个栈帧作为当前栈帧

  • 栈帧的组成：

    • 局部变量表（Local Variable Table）：元素索引从0开始，它是栈帧的重要组成部分之一，同时对栈帧的大小也具有决定性的作用，通常来说，栈帧中的局部变量表越大，栈帧的大小就会越大，局部变量表的作用是存储调用方法中的局部变量和方法参数，需要注意的是局部变量表的大小在编译的时候就确定了，通过javap -v Xxx.class可以进行查看

    • 操作数栈（Operand Stack）：也是栈帧的重要组成部分之一，底层通过数组实现，他的作用是存储当前方法过程中的操作数，举一个例子：例如


      通过jclasslib查看

可以通过-Xss进行指定Java虚拟机栈的大小

  • 方法返回地址（Return Address）：它的作用是保存了被调方法执行完成之后需要执行的代码位置（这个位置当然在调用者中），恢复调用者的代码执行
  • 动态链接（指向运行时常量池的方法引用）（Dynamic Linking）：他的作用是指向运行时常量池的方法引用，也就是将符号引用解析为直接引用，举一个例子，在此之前说明一下，在Java文件编译为Class文件的时候，会将所有的变量和方法引用转化为符号引用，存放到常量池中，比如，如果需要描述一个方法调用了另一个方法，就需要使用常量池中的表示指向方法的符号引用，动态链接就是解析这些符号引用，将其转化为方法的直接引用

说到动态链接的话，就会涉及到几个调用指令，如下：

  • 普通调用指令：
    • invokestatic：调用static方法，是确定的方法，在编译期就能确定，所以是非虚方法。
    • invokesopecial：调用方法（构造器）、私有方法和通过super调用的父类方法也是确定的，在编译期间就能确定，为非虚方法
    • invokevirtual：这里需要注意，除了通过final修饰的方法为非虚方法外，其他的都为虚方法（不知掉具体的方法），其具体实现也是在运行时确定的。
    • invokeinterface：调用接口，也是虚方法，其具体实现也是在运行时确定的。
  • 动态调用指令：

    • invokedynamic：在java7出来之后添加的新指令，它允许开发人员编写更加灵活的代码，通常伴随lamble表达式出现（类型通过变量来确定）与其他调用指令不同，invokedynamic 指令的调用目标在运行时才会确定，因此它是一种更加灵活和动态的调用方式。

    • 其他信息：通常包括当前方法的状态、异常处理信息、其他信息

3、本地方法栈：

它和Java虚拟机栈的结构差不多，但是调用的方法为native修饰的本地方法，通常是通过C或者C++编写的 （支持本地方法的调用）

4、堆：

堆是运行时数据区的重要组成部分，它是由年轻代、老年代组成（可能有的帖子中还存在元数据，但是我考虑到元数据是在方法区中的，所以就没有将它放进来哈）。

  • Young/New generation 年轻代：在年轻代中又由三部分组成：
    • Eden（伊甸园区）：伊甸园区通常是新对象创建并存储的地方，因为据统计有80%的对象都存在朝生夕死的特征，能使垃圾回收变得更高效，注意哈，它能触发YGC（Young GC或者叫Minor GC）
    • Survivor0（幸存者1区）：它是年轻代的组成部分之一，它主要是存储经过一次或者多次垃圾回收之后任然存在的对象，注意哈，Surivor幸存者区不能触发YGC
    • Survivor1（幸存者2区）：同上

幸存者区，也叫 from、to，如何判断哪一个幸存者是from或者to，这个很容易，为空的一个就是to，不为空的就是from

当一个对象来的时候，存放的流程介绍（感觉没说明白，可看图参考）：
首先当来一个对象的时候，如果伊甸园区是空的或者能够存放当前的对象的时候（伊甸园区的空闲大小比当前对象的大小大），就会将该对象存入伊甸园区，如果伊甸园区无法进行存储，或者已经满了，就会触发YGC（MinorGC）来进行垃圾回收，注意哈，不管是什么GC，都会将用户线程进行暂停（Stop The World，stw），因为MinorGC的效率很高，所以MinorGC对我们的性能往往没有什么影响，那么，在MinorGC中会做些什么呢，首先会通过可达性分析算法判断在Eden中哪些对象是垃圾，如果是垃圾就会直接进行清除，如果不是垃圾就会将其放入为空幸存者区（to），然后将另一个幸存者区的对象也放入to区，并且会在每一个对象的对象头的age属性中加1，当这个age等于15的时候（默认为15，可自定义）就会将这个对象从幸存者区晋升到老年代，当MinorGC完成之后，这时的Eden区和一个幸存者区都是空的，就又能存储新对象了


  • Tenure/Old generation 老年代：老年代中通常存放的是大对象（连续内存地址，如数组）或者存活时间较长的对象，当老年代满的时候，会先触发一次Minor GC，在执行Major GC（针对老年代的垃圾回收），这里要注意下，有的帖子会将这里的Major GC称为Full GC，尽管他们两个都会回收老年代的垃圾，但是，Full GC是针对与整个堆的清理和方法区的清理，而Major GC从效果上只会将年轻代和老年代进行清理，所以还是不同的哈，接着说，如果当老年代需要存储对象时，触发了Major GC之后任然不能存储的时候，就会出现OOM

这里会有几个问题哈：

1.是不是所有在老年区的对象的age都是15？

解析：不是，因为当需要存储一个大对象的时候，如果Eden不能存储会首先执行一次Minor GC，判断Eden是否能存储这个对象，如果不能，就会考虑直接将这个对象放入老年区中，也是需要判断下是否能够存储的哈，如果不能存储就会出现OOM错误，还有一种就是当Survivor区中的to满了，Eden区还需要向to区复制对象的时候，会先触发一次Minor GC，之后在判断是否能存储，如果不能存储就会考虑将to区的对象和Eden区中需要写入to区的对象写入到老年代，但是也是需要考虑是否能存的下哈

2.我们都知道在运行时数据区中的堆和方法区是线程共享的，一个JVM只有一个，那么是不是在堆中的所有数据都是线程共享的？

解析：在堆中的Eden中还存在一种内存区域叫做TLAB（Thread Local Allocation Buffer），每个线程在堆中都有一份，默认的大小是Eden内存的1%，也可以存储对象，它的作用是在多线程并发环境下需要内存分配的时候，减少线程之间对于内存分配区域的竞争，加速内存分配的速度。

3.为什么要将堆中的数据进行分代，不能直接为一块吗？

解析：我们都知道，大多数的对象都是朝生夕死的，并且在每一次GC操作都是会将用户线程先暂停（STW），在进行GC操作的，这个暂停时间大小从小到大为：Minor GC < Major GC < Full GC （范围越大，时间越长）,如果我们将堆内存设置为一块的话，就会频繁的调用GC，导致用户线程暂停的时间越长，就影响效率了

4.是不是所有的对象都是分配在堆中的？

解释：不是的，这里有个技术叫做逃逸技术，简单解释下就是这个对象实体会不会被其他线程使用到，如果会，就说明这个对象会进行逃逸，反之为不会逃逸，对于不会逃逸的对象，我们可以实施一种叫做栈上存储的技术，就是将这个对象存储到栈中，我们知道在Java虚拟机栈中的栈帧是当执行方法执行完成之后就会出栈，当我们将对象存到栈中，就不再需要GC进行回收，从而提高了效率。这里说到的逃逸对象，我们有多种优化方式，包括刚说的栈上存储、标量替换、同步消除，这里就不一一说明了，有兴趣可以搜搜看。

5、方法区

在JDK8之前，方法区也叫做永久代，在JDK8之后，方法区叫做元空间。

方法区在逻辑上属于堆的一部分，但是在HotSoprtJVM来说，方法区也叫做Non-Heap（非堆），并且在通过-X:Xms和-X:Xmx进行设置堆的大小的时候，并没有包含方法区的大小，所以方法区可以看作是一块独立于Java堆的内存空间。

方法区和堆一样，是线程共享的。在JVM创建的时候创建，可以自定义设置方法区的大小，方法区的大小决定了系统可以保存多少类，如果系统定义的类的总大小大于方法区的大小，就会导致方法区溢出，出现OutOfMemoryError:PermGen space或者OutOfMemoryError:Metaspace错误（取决于jdk的版本是1.7之前还是之后）

方法区的组成：

  • 类型信息：
    方法区中存储了每一个加载的类型（class，interface，enum，annatation）以下信息：
    • 这个类型的有效名称（包名+类名）
    • 这个类型的父类的有效名称（需要注意的是Object和interface没有父类）
    • 这个类型的修饰符（如public、final等）
    • 这个类型直接接口的一个有序列表
  • 域信息
    • JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序
    • 域的相关信息包括：域名称、域类型、域修饰符（public、private等）
  • 方法信息
    方法区中存储了方法的以下信息：
    • 方法名称
    • 方法的返回值类型
    • 方法的参数数量及其类型（需要按照参数列表的顺序）
    • 方法的修饰符（如public、final、static等）
    • 方法的字节码
    • 异常表
  • JIT代码缓存：将即时编译器（JIT）编译之后的机器码进行保存，提高执行效率。
  • 静态变量：存放类的静态变量，这些变量在类加载的时候分配内存空间，在类卸载的时候将空间释放。
  • 运行时常量池：存储编译期间生成的各种字面量和符号引用

常量池和运行时常量池的区别：
1.常量池的存储位置在.class文件中，运行时常量池的存储位置在JVM的方法区中
2.常量池是在编译期间生成的，而运行时常量池是在类加载阶段生成的，基于编译期常量池创建
3.常量池的内容时静态的，在编译的时候就确定了，而运行时常量池的内容是动态的，允许在运行时添加新常量
4.常量池时用在.class文件在磁盘上的存储和传输，而运行时常量池的作用是在运行时动态连接和常量管理。

最后放几张图。
运行时数据区会错误的几个部分，即是否线程共享

Java运行时数据区的结构：

posted @ 2024-05-17 16:48  just1t  阅读(4)  评论(0)  编辑  收藏  举报