JVM学习-内存模型(一)

笔记来自极客时间<java调优实战>

内存模型

堆

堆是jvm最大的一块儿内存空间，该内存被所有线程共享。几乎所有的对象数组都分配在堆空间中

堆被划分为新生代和老年代，新生代又被进一步划分为 Eden 和 Survivor 区，最后 Survivor 由 From Survivor 和 To Survivor 组成。

在 Java6 版本中，永久代在非堆内存区；到了 Java7 版本，永久代的静态变量和运行时常量池被合并到了堆中；而到了 Java8，永久代被元空间取代了

方法区

很多开发者都习惯将方法区称为“永久代”，其实这两者并不是等价的。

HotSpot 虚拟机使用永久代来实现方法区，但在其它虚拟机中，例如，Oracle 的 JRockit、IBM 的 J9 就不存在永久代一说。因此，方法区只是 JVM 中规范的一部分，可以说，在 HotSpot 虚拟机中，设计人员使用了永久代来实现了 JVM 规范的方法区。

方法区主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息，包括类信息、运行时常量池、字符串常量池。类信息又包括了类的版本、字段、方法、接口和父类等信息。

方法区与堆空间类似，也是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的。假如两个线程都试图访问方法区中的同一个类信息，而这个类还没有装入 JVM，那么此时就只允许一个线程去加载它，另一个线程必须等待。

Java7 版本中已经将永久代的静态变量和运行时常量池转移到了堆中，其余部分则存储在 JVM 的非堆内存中，而 Java8 版本已经将方法区中实现的永久代去掉了，并用元空间（class metadata）代替了之前的永久代，并且元空间的存储位置是本地内存。之前永久代的类的元数据存储在了元空间，永久代的静态变量（class static variables）以及运行时常量池（runtime constant pool）则跟 Java7 一样，转移到了堆中。

默认情况下元空间是可以无限使用本地内存的，但为了不让它如此膨胀，JVM同样提供了参数来限制它使用的使用。

• -XX:MetaspaceSize，class metadata的初始空间配额，以bytes为单位，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当的降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize（如果设置了的话），适当的提高该值。
• -XX：MaxMetaspaceSize，可以为class metadata分配的最大空间。默认是没有限制的。
• -XX：MinMetaspaceFreeRatio,在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata分配空间导致的垃圾收集。
• -XX:MaxMetaspaceFreeRatio,在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata释放空间导致的垃圾收集。

 在 Java6 版本中，永久代在非堆内存区；到了 Java7 版本，永久代的静态变量和运行时常量池被合并到了堆中；而到了 Java8，永久代被元空间取代了

程序计数器

程序计数器是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，例如，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。

由于 Java 是多线程语言，当执行的线程数量超过 CPU 核数时，线程之间会根据时间片轮询争夺 CPU 资源。如果一个线程的时间片用完了，或者是其它原因导致这个线程的 CPU 资源被提前抢夺，那么这个退出的线程就需要单独的一个程序计数器，来记录下一条运行的指令。

虚拟机栈

Java 虚拟机栈是线程私有的内存空间，它和 Java 线程一起创建。当创建一个线程时，会在虚拟机栈中申请一个线程栈，用来保存方法的局部变量、操作数栈、动态链接方法和返回地址等信息，并参与方法的调用和返回。每一个方法的调用都伴随着栈帧的入栈操作，方法的返回则是栈帧的出栈操作。

栈帧

一个线程对应一个 JVM Stack。JVM Stack 中包含一组 Stack Frame。线程每调用一个方法就对应着 JVM Stack 中 Stack Frame 的入栈，方法执行完毕或者异常终止对应着出栈（销毁）。

当 JVM 调用一个 Java 方法时，它从对应类的类型信息中得到此方法的局部变量区和操作数栈的大小，并据此分配栈帧内存，然后压入 JVM 栈中。

在活动线程中，只有位于栈顶的栈帧才是有效的，称为当前栈帧，与这个栈帧相关联的方法称为当前方法。

 局部变量表

是一组变量值的存储空间，用呀存放方法参数和局部变量，虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表。

1.在编译程序代码的时候就可以确定栈帧中需要多大的局部变量表，具体大小可在编译后的 Class 文件中看到。

2.在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程的，如果执行的是实例方法，那局部变量表中第 0 位索引的 Slot 默认是用于传递方法所属对象实例的引用（在方法中可以通过关键字 this 来访问到这个隐含的参数）

3.其余参数则按照参数表顺序排列，占用从 1 开始的局部变量 Slot。

4.基本类型数据以及引用和 returnAddress（返回地址）占用一个变量槽，long 和 double 需要两个。

操作数栈

常称为操作数栈，是一个后入先出栈。方法执行中进行算术运算或者是调用其他的方法进行参数传递的时候是通过操作数栈进行的

1.同样也可以在编译期确定大小。

2.Frame 被创建时，操作栈是空的。操作栈的每个项可以存放 JVM 的各种类型数据，其中 long 和 double 类型（64位数据）占用两个栈深。

3.方法执行的过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈和入栈操作（与 Java 栈中栈帧操作类似）。

4.操作栈调用其它有返回结果的方法时，会把结果 push 到栈上（通过操作数栈来进行参数传递）。

动态链接

1.每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态链接。 

2.在类加载阶段中的解析阶段会将符号引用转为直接引用，这种转化也称为静态解析。另外的一部分将在运行时转化为直接引用，这部分称为动态链接。

返回地址

方法开始执行后，只有 2 种方式可以退出 ：方法返回指令，异常退出。

帧数据区

帧数据区的大小依赖于 JVM 的具体实现 

如：

 public static void main(String[] args) {
        methodA();
    }

    public static  void methodA(){
        methodB();
    }
    public static  void methodB(){
        methodC();
    }
    public static  void methodC(){
        methodD()
    }
    public static  void methodD(){

    }

 methodD方法依次返回则依次弹出

本地方法栈

本地方法栈跟 Java 虚拟机栈的功能类似，Java 虚拟机栈用于管理 Java 函数的调用，而本地方法栈则用于管理本地方法的调用。但本地方法并不是用 Java 实现的，而是由 C 语言实现的。

jvm内存分配原理

如以下代码

public class JVMCase {

  // 常量
  public final static String MAN_SEX_TYPE = "man";

  // 静态变量
  public static String WOMAN_SEX_TYPE = "woman";

  public static void main(String[] args) {
    
    Student stu = new Student();
    stu.setName("nick");
    stu.setSexType(MAN_SEX_TYPE);
    stu.setAge(20);
    
    JVMCase jvmcase = new JVMCase();
    
    // 调用静态方法
    print(stu);
    // 调用非静态方法
    jvmcase.sayHello(stu);
  }


  // 常规静态方法
  public static void print(Student stu) {
    System.out.println("name: " + stu.getName() + "; sex:" + stu.getSexType() + "; age:" + stu.getAge()); 
  }


  // 非静态方法
  public void sayHello(Student stu) {
    System.out.println(stu.getName() + "say: hello"); 
  }
}

class Student{
  String name;
  String sexType;
  int age;
  
  public String getName() {
    return name;
  }
  public void setName(String name) {
    this.name = name;
  }
  
  public String getSexType() {
    return sexType;
  }
  public void setSexType(String sexType) {
    this.sexType = sexType;
  }
  public int getAge() {
    return age;
  }
  public void setAge(int age) {
    this.age = age;
  }
}

1.JVM 向操作系统申请内存，JVM 第一步就是通过配置参数或者默认配置参数向操作系统申请内存空间，根据内存大小找到具体的内存分配表，然后把内存段的起始地址和终止地址分配给 JVM，接下来 JVM 就进行内部分配。

2.JVM 获得内存空间后，会根据配置参数分配堆、栈以及方法区的内存大小

3.class 文件加载、验证、准备以及解析，其中准备阶段会为类的静态变量分配内存，初始化为系统的初始值

4.完成上一个步骤后，将会进行最后一个初始化阶段。在这个阶段中，JVM 首先会执行构造器<client>()方法，编译器会在.java 文件被编译成.class 文件时，收集所有类的初始化代码，包括静态变量赋值语句、静态代码块、静态方法，收集在一起成为<client>()方法。

 5.执行方法。启动 main 线程，执行 main 方法，开始执行第一行代码。此时堆内存中会创建一个 student 对象，对象引用 student 就存放在栈中。

 

 6.此时再次创建一个 JVMCase 对象，调用 sayHello 非静态方法，sayHello 方法属于对象 JVMCase，此时 sayHello 方法入栈，并通过栈中的 student 引用调用堆中的 Student 对象；之后，调用静态方法 print，print 静态方法属于 JVMCase 类，是从静态方法中获取，之后放入到栈中，也是通过 student 引用调用堆中的 student 对象。

Java8 为什么使用元空间替代永久代

1.移除永久代是为了融合 HotSpot JVM 与 JRockit VM 而做出的努力，JRockit从来没有所谓的永久代，也不需要开发运维人员设置永久代的大小，但是运行良好。同时也不用担心运行性能问题了,在覆盖到的测试中, 程序启动和运行速度降低不超过1%，但是这点性能损失换来了更大的安全保障。

2.永久代内存经常不够用或发生内存溢出，爆出异常 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。这是因为在 JDK1.7 版本中，指定的 PermGen 区大小为 8M，由于 PermGen 中类的元数据信息在每次 FullGC 的时候都可能被收集，回收率都偏低，成绩很难令人满意；还有，为 PermGen 分配多大的空间很难确定，PermSize 

3.当使用元空间时，可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制, 而由系统的实际可用空间来控制。

4.永久代的垃圾收集是和老年代捆绑在一起的，因此无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。