在上一篇中，介紹了JVM組件中的類加載器，以及相關(guān)的雙親委派機制。這一篇主要介紹運行時的數(shù)據(jù)區(qū)域

JVM架構(gòu)圖：

JDK1.8后的內(nèi)存結(jié)構(gòu)：

?(圖片來源：https://github.com/Seazean/JavaNote) ?

而在運行時數(shù)據(jù)區(qū)域中，根據(jù)線程是否共享可以進行分類：

• 線程不共享：程序計數(shù)器，本地方法棧，Java虛擬機棧。
• 線程共享：堆，方法區(qū)。

1、程序計數(shù)器

????????1.1、概述

????????簡稱PC寄存器，用于存儲當前線程正在執(zhí)行的指令的地址或者下一條即將執(zhí)行的指令的地址。在Java虛擬機中，每個線程都有自己獨立的程序計數(shù)器，它是線程私有的，不會被線程切換所影響。

??????? 它記錄了當前線程正在執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址。當線程執(zhí)行一般方法時，程序計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址，當線程執(zhí)行的是本地方法（源碼中被native關(guān)鍵字修飾的方法）時，程序計數(shù)器的值為空（Undefined）。

??????? 程序計數(shù)器的作用有以下幾點：

• 線程切換恢復(fù)： 當線程切換回來時，虛擬機通過程序計數(shù)器來確定線程上次執(zhí)行到的位置，從而繼續(xù)執(zhí)行。（例如我現(xiàn)在有A，B兩個線程并發(fā)執(zhí)行某個方法，該方法有10條指令，A線程首先獲得了執(zhí)行權(quán)，在執(zhí)行到第4條指令時CPU的時間分片結(jié)束，B線程獲得到了執(zhí)行權(quán)，從第1條指令開始執(zhí)行，等待CPU時間分片再次結(jié)束，假設(shè)A線程獲得了執(zhí)行權(quán)，就從第4條指令繼續(xù)執(zhí)行。）
• 指令定位： 程序計數(shù)器指示了當前正在執(zhí)行的虛擬機指令的地址，幫助虛擬機準確定位下一條需要執(zhí)行的指令。
• 異常處理： 虛擬機使用程序計數(shù)器來記錄異常處理代碼的起始地址，以便異常處理完成后能夠繼續(xù)執(zhí)行原來的代碼。
• 線程間通信： 在多線程環(huán)境下，程序計數(shù)器也可以用于線程間通信，例如實現(xiàn)輕量級的線程協(xié)作機制。

??????? 1.2、案例

??????? 例如有如下的一段代碼

public class Demo1 {public static void main(String[] args) {int i = 0;if (i ==0){i--;}i++;}
}

??????? 它的字節(jié)碼指令是

?0 iconst_0
?1 istore_1
?2 iload_1
?3 ifne 9 (+6)
?6 iinc 1 by -1
?9 iinc 1 by 1
12 return

??????? 其中每一行開頭處的0，1等代表偏移量，在字節(jié)碼或者內(nèi)存中，偏移量表示了某個數(shù)據(jù)項相對于起始地址的偏移量，以字節(jié)為單位。

??????? 在加載階段，虛擬機將字節(jié)碼的指令讀取到內(nèi)存后，會將偏移量轉(zhuǎn)換為內(nèi)存地址：

??????? 代碼的執(zhí)行過程中，程序計數(shù)器會記錄下一行字節(jié)碼指令的地址，執(zhí)行完當前指令，虛擬機的執(zhí)行引擎會根據(jù)程序計數(shù)器執(zhí)行下一條指令。

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2、棧 ??????

??????? 首先明確一個概念：棧區(qū)別于隊列，是一種先進后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，類似于彈夾，先壓入的子彈最后打出，后壓入的子彈最先打出。

??????? 并且在多線程環(huán)境下，棧之間是相互獨立的，這一點在JUC并發(fā)編程篇中做過驗證。

??????? 在JVM中，棧又是由三部分組成：

• 局部變量表：存放運行時的所有局部變量
• 操作數(shù)棧：用于存放執(zhí)行過程中的臨時數(shù)據(jù)
• 幀數(shù)據(jù)：包含動態(tài)鏈接，方法出口，異常表引用等

??????? 2.1、局部變量表

??????? 我現(xiàn)在有一段代碼

public class Demo2 {public static void main(String[] args) {int i = 10;long j = 20;}
}

??????? 編譯后通過jclasslib查看：

??????? 表頭的含義：

• Nr.：代表當前元素的編號，在案例中0代表args，1代表i，2代表j。
• 起始PC：表示該局部變量的作用域的起始位置，即該局部變量在方法中有效的起始位置：

??????? 這段字節(jié)碼大致的含義是：

1. 0 bipush 10: 這條字節(jié)碼將整數(shù)10推送到操作數(shù)棧頂。bipush指令用于將一個字節(jié)（-128到127之間的整數(shù)）推送到操作數(shù)棧頂。

2. 2 istore_1: 將操作數(shù)棧頂?shù)恼麛?shù)值（之前推送的10）存儲到索引為1的本地變量中。istore_1指令將整數(shù)值存儲到本地變量表中索引為1的位置。

3. 3 ldc2_w #2 <20>: 將一個常量（在常量池中的索引為2的項，可能是一個long或double類型的常量）推送到操作數(shù)棧頂。

4. 6 lstore_2: 將操作數(shù)棧頂?shù)膌ong類型常量值（之前推送的常量）存儲到索引為2的本地變量中。lstore_2指令將long類型的值存儲到本地變量表中索引為2的位置。

5. 7 return: 從當前方法返回，沒有返回值。return指令用于從當前方法返回，結(jié)束方法的執(zhí)行。

???????? 由此可知，當i變量經(jīng)過了1,2兩步后，才算賦值完成，所以i的作用域是從3開始。j同理。

• 長度：表示該局部變量的作用域的長度，即該局部變量在方法中有效的長度。
• 序號：表示該局部變量在局部變量表中的索引位置。局部變量表是按索引順序存儲局部變量的，索引從0開始遞增。

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??????? 而在實例方法中（區(qū)別于被static關(guān)鍵字修飾的靜態(tài)方法），序號為0的位置會存放一個this。代表調(diào)用該方法的對象：

public class Demo2 {public static void main(String[] args) {}public void test1(){int i = 10;long j = 20;}
}

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??????? 如果是帶有參數(shù)的方法，方法的參數(shù)也是會存放在局部變量表中的，例如main方法的args參數(shù)，在第一個案例中就有所體現(xiàn)。

??????? 例如在某個實例方法中，有兩個參數(shù)，并且有兩個局部變量，那么在局部變量表中就會有5個元素。

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??????? 局部變量表中的序號也是能復(fù)用的：

public class Demo2 {public static void main(String[] args) {}public void test1(int k,int m){{int a = 1;int b = 2;}{int c = 1;}int i = 0;long j = 1;}
}

??????? 上面的案例，在0號索引處存放了this,然后將參數(shù)k，m放在了1,2號索引處，第一個代碼塊中的a，b放在3,4號索引處。

??????? 然后執(zhí)行第二個代碼塊，a，b的作用范圍已經(jīng)結(jié)束了。就會把c放在原先a的3索引的位置。

??????? 最后執(zhí)行給i，j賦值的語句，c的作用范圍也結(jié)束了，就會把i放在原先c的3索引位置，j方法原先b的4索引位置。

??????? 2.2、操作數(shù)棧

??????? 操作數(shù)棧的深度是在編譯期就提前確定的：

??????? 2.3、幀數(shù)據(jù)

??????? 2.3.1、動態(tài)鏈接

??????? 動態(tài)鏈接是指在方法調(diào)用時，JVM需要確定被調(diào)用方法的實際地址或者說是方法在內(nèi)存中的具體位置。由于Java是一種面向?qū)ο蟮恼Z言，方法調(diào)用可能涉及到多態(tài)性，即被調(diào)用方法的具體實現(xiàn)可能在運行時才能確定。

??????? 動態(tài)鏈接會有以下的步驟：

1. 查找方法： 當一個方法被調(diào)用時，JVM需要查找該方法的具體實現(xiàn)。首先，它會根據(jù)方法調(diào)用指令中的符號引用（Symbolic Reference）去找到對應(yīng)的類和方法，這個過程叫做解析。

2. 解析： 解析階段會將符號引用解析為直接引用（Direct Reference），即找到被調(diào)用方法在內(nèi)存中的具體位置。這個過程可能會涉及到類加載、鏈接等步驟。

3. 綁定： 綁定是將方法調(diào)用指令與被調(diào)用方法的具體實現(xiàn)關(guān)聯(lián)起來的過程。動態(tài)綁定是在運行時根據(jù)對象的實際類型來確定方法的具體實現(xiàn)。這種機制允許在程序運行時實現(xiàn)多態(tài)性。

??????? 簡單來說，動態(tài)鏈接表現(xiàn)在編譯期無法確定，只能在運行期間將符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用。（編譯和鏈接階段，函數(shù)調(diào)用只是一個符號引用，不包含實際的地址。）

??????? 與之相對的是靜態(tài)鏈接，在編譯階段，所有的函數(shù)調(diào)用在鏈接時就被確定為了直接引用，所有的庫函數(shù)以及其他被調(diào)用的函數(shù)的代碼都會被復(fù)制到可執(zhí)行文件中。（可執(zhí)行文件在運行時不再依賴外部的庫，因為所有的依賴關(guān)系在編譯時已經(jīng)被解決了。）

??????? 一般的場景是，如果沒有依賴外部的庫或動態(tài)鏈接庫，是一個獨立的執(zhí)行文件，則是靜態(tài)鏈接。如果你的程序需要使用系統(tǒng)提供的共享庫或第三方庫，則是動態(tài)鏈接。

??????? 2.3.2、異常表

????????異常表是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于管理和處理Java程序中的異常。異常表存儲在方法的字節(jié)碼中，并由JVM在方法執(zhí)行期間使用。

public class Demo1 {public static void main(String[] args) {int i = 0;try {i = 1;} catch (Exception e) {i = 2;}}
}

??????? 對應(yīng)的字節(jié)碼指令：

?0 iconst_0
?1 istore_1
?2 iconst_1
?3 istore_1
?4 goto 10 (+6) ??????? -- 如果沒有發(fā)生異常，就直接跳到第十步。
?7 astore_2
?8 iconst_2
?9 istore_1
10 return

??????? 對應(yīng)的異常表

??????? 其中起始PC和結(jié)束PC就是try...catch塊的作用范圍，跳轉(zhuǎn)PC為出現(xiàn)異常時執(zhí)行的代碼，捕獲類型為捕獲何種異常，在案例中是所有Exception類型的。

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??????? 在棧中，是可能存在內(nèi)存溢出問題的，通常的原因是遞歸沒有正確設(shè)置退出條件，導(dǎo)致棧溢出。

public class Demo1 {static int count = 0;public static void main(String[] args) {test1();}private static void test1() {System.out.println(count++);test1();}
}

??????? 在執(zhí)行了大約9800次的時候發(fā)生了棧溢出（StackOverflowError）。

??????? 棧的大小是可以通過JVM參數(shù)進行設(shè)置的，如果沒有設(shè)置棧的大小，JVM也會創(chuàng)建一個默認大小的棧，其大小取決于不同的操作系統(tǒng)。

??????? 如果需要手動修改棧的大小，可以通過JVM參數(shù)：-Xss棧大小 實現(xiàn)：

??????? 例如我將其設(shè)置成為了512M：

??????? 如果局部變量過多，操作數(shù)棧深度過大也會影響棧內(nèi)存的大小。

3、堆

????????堆內(nèi)存是用于存儲對象實例的內(nèi)存區(qū)域，是 Java 程序中最主要的內(nèi)存區(qū)域之一。堆內(nèi)存由 JVM 在運行時動態(tài)分配和管理，用于存儲所有通過New關(guān)鍵字創(chuàng)建的對象實例以及數(shù)組對象。

??????? 3.1、對象實例

??????? 棧中的局部變量表，可以存放堆上對象的引用：

??????? 同時堆的內(nèi)存也會存在溢出現(xiàn)象（OutOfMemoryError）：

public class Demo1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException {ArrayList<Object> objects = new ArrayList<Object>();while (true){objects.add(new byte[1024 * 1024 * 100]);}}
}

???????? 我們也可以通過arthas工具的dashboard命令進行堆內(nèi)存使用情況的查看：

• used：代表當前已使用的內(nèi)存。
• total：代表虛擬機分配的可用堆內(nèi)存。
• max：是java虛擬機可以使用的最大堆內(nèi)存。

??????? 簡單來說，當used大于等于total時，total會擴容，但是最大不能超過max。

??????? 我們通過在上面的案例的循環(huán)中加上

        while (true){System.in.read();objects.add(new byte[1024 * 1024 * 100]);
//            Thread.sleep(1000);}

??????? 驗證一下，當執(zhí)行了兩次循環(huán)后發(fā)生了擴容：

??????? 堆內(nèi)存的大小也是可以通過JVM命令去設(shè)置的，如果沒有設(shè)置，max默認是系統(tǒng)最大運行內(nèi)存的1/4，total是1/64。

??????? 修改total的命令是：-Xms，修改max的命令是：-Xmx 其中Xms必須大于1M，Xmx必須大于2M，建議將Xms和Xmx設(shè)置成相同的值。

??????? 3.2、字符串常量池

????????字符串常量池用于存儲代碼中定義的常量字符串。在JDK1.8中，字符串常量池不位于方法區(qū)中，而是在堆中（運行時常量池位于直接內(nèi)存的元空間中）。

??????? 例如我現(xiàn)在有以下的代碼：

public class Demo2 {public static void main(String[] args) {String a = "1";String b = "2";String c = "12";String d = a + b;System.out.println(c == d);}
}

??????? 最終運行的結(jié)果是什么？答案是false，通過分析字節(jié)碼指令，其原因在于，當我們執(zhí)行String d = a + b 時，在字節(jié)碼的層面是創(chuàng)建一個StringBuilder的對象，創(chuàng)建的對象會被放在堆內(nèi)存中。

??????? 而c變量的值12是放在字符串常量池中的，所以指向的不是同一個地址（c指向的是字符串常量池中的12，d指向的是堆中的12），使用 == 判斷的結(jié)果是false。

??????? 修改一下上面的案例：

public class Demo3 {public static void main(String[] args) {String a = "1";String b = "2";String c = "12";String d = "1" + "2";System.out.println(c == d);}
}

??????? 運行結(jié)果是true，執(zhí)行?String d = "1" + "2";時不會產(chǎn)生新的對象，而是從字符串常量池中找到c變量的12。

??????? 3.3、靜態(tài)變量

??????? 在JDK1.8后，靜態(tài)變量存放在堆中，靜態(tài)變量是屬于類的，而不是屬于類的實例，因此它們只會在類被加載時被初始化，并且在整個應(yīng)用程序的生命周期內(nèi)存在，直到應(yīng)用程序結(jié)束或者類被卸載。

4、本地內(nèi)存

????????4.1、方法區(qū)

????????用于存儲類信息、常量、靜態(tài)變量和即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

??????? 主要包含了：

1. 類信息存儲： 方法區(qū)主要用于存儲加載的類信息，包括類的結(jié)構(gòu)信息、字段信息、方法信息、父類信息、接口信息等。每個加載的類都有對應(yīng)的 Class 對象在方法區(qū)中存儲。

2. 常量池： 方法區(qū)包含了常量池（Constant Pool），用于存儲類中的常量信息，如字符串常量、基本類型常量、符號引用等。常量池在類加載時被創(chuàng)建，包括編譯時生成的常量和運行時生成的常量。

3. 靜態(tài)變量： 方法區(qū)還存儲了類的靜態(tài)變量，即被static修飾的類級別的變量。這些變量在類加載時被初始化，并在整個應(yīng)用程序的生命周期內(nèi)保持不變。

4. 即時編譯器產(chǎn)生的代碼： 方法區(qū)還用于存儲即時編譯器（Just-In-Time Compiler，JIT）編譯后的本地機器代碼，這些代碼用于提高 Java 程序的執(zhí)行效率。

5. 運行時常量池： 除了類加載時的常量池，方法區(qū)還包含了運行時常量池，它是在類加載完成后在方法區(qū)中動態(tài)生成的，用于存儲運行時解析的常量信息。

??????? 在JDK1.8之后，方法區(qū)中的永久代（Permanent Generation）被元數(shù)據(jù)區(qū)（Metaspace）所取代。

??????? 復(fù)習(xí)一下，在類的生命周期的加載階段，類加載器加載完成后，JVM會將讀取到的字節(jié)碼信息保存到內(nèi)存的方法區(qū)中，生成一個InstanceKlass對象，保存類的基本信息。

??????? 方法中的靜態(tài)常量池，連接階段后，會將符號引用改變成直接引用。（連接階段中的解析階段，會將常量池中的符號引用替換成直接引用）。

??????? 上面提到過棧和堆都有可能存在內(nèi)存溢出的問題，而方法區(qū)同樣可能會內(nèi)存溢出：

• 在JDK1.7及以前的版本中，方法區(qū)位于堆中的永久代空間。
• 在JDK1.8及以后的版本中，方法區(qū)位于元空間中，和堆一樣是獨立的空間。（本地內(nèi)存）

??????? 這樣就造成了，在JDK1.7以前的版本，方法區(qū)大小受限于堆的大小，而之后的版本，方法區(qū)的大小則取決于操作系統(tǒng)的直接內(nèi)存大小。

???????? 同樣也可以使用-XX:MaxMetaspaceSize= 命令分配元空間的大小。

????????4.2、直接內(nèi)存

????????是一種在 Java 中進行內(nèi)存分配和管理的機制，它不同于傳統(tǒng)的 Java 堆內(nèi)存和棧內(nèi)存。直接內(nèi)存并不是由 JVM 直接管理的，而是由操作系統(tǒng)管理的一塊內(nèi)存區(qū)域。

??????? 主要用于提高IO的效率，優(yōu)勢在于它可以通過操作系統(tǒng)的零拷貝技術(shù)來實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。在進行 I/O 操作或者進行大規(guī)模數(shù)據(jù)處理時，直接內(nèi)存能夠直接與操作系統(tǒng)進行交互，避免了數(shù)據(jù)的多次復(fù)制和拷貝，從而提高了系統(tǒng)的性能和效率。

??????? NIO在讀寫文件時，會將其放入直接內(nèi)存，并且在堆上維護對直接內(nèi)存地址的引用。

??????? 如果需要創(chuàng)建直接內(nèi)存，可以使用：

ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(size);

??????? 而直接內(nèi)存和堆，棧，方法區(qū)一樣，同樣會存在內(nèi)存溢出的問題：

??????? 如果需要手動調(diào)整直接內(nèi)存大小，可以通過JVM命令-XX:MaxDirectMemorySize = 大小

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補充：

運行時常量池和常量池表：

• 運行時常量池是每個類或接口的一部分，用于存儲編譯時生成的字面量常量和符號引用。除了字符串常量外，運行時常量池還包含其他類型的常量，如整數(shù)常量、浮點數(shù)常量等。運行時常量池是類加載過程中的一部分，在類加載后會被存儲在方法區(qū)（JDK 8 及之前）或元空間（JDK 8 及之后）中。
• 常量池表是 class 文件中的一部分，用于存儲編譯時生成的常量信息。它包含了類或接口中的所有常量，包括字符串常量、符號引用、方法名、字段名等。常量池表中的每個常量都有一個索引，可以通過索引來訪問常量池中的具體內(nèi)容。運行時常量池實際上是常量池表在運行時被加載到內(nèi)存中的形式之一。

??????? 常量池表在類加載后成為運行時常量池。