深入理解JVM (1)(先发一节, 其他的还在学)

1 运行时数据区

1.1 程序计数器（Program Counter Register）

它是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当先线程所执行的字节码的信号指示器;  

每一条JVM线程都有自己的PC寄存器，各条线程之间互不影响，独立存储，这类内存区域被称为“线程私有”内存;

在任意时刻，一条JVM线程只会执行一个方法的代码。该方法称为该线程的当前方法（Current Method）

如果该方法是java方法，那PC寄存器保存JVM正在执行的字节码指令的地址;

如果该方法是native，那PC寄存器的值是undefined;

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域;

1.2 Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack)

与PC寄存器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的。每一个JVM线程都有自己的java虚拟机栈，这个栈与线程同时创建，它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

JVM stack 可以被实现成固定大小，也可以根据计算动态扩展。

如果采用固定大小的JVM stack设计，那么每一条线程的JVM Stack容量应该在线程创建时独立地选定。JVM实现应该提供调节JVM Stack初始容量的手段；如果采用动态扩展和收缩的JVM Stack方式，应该提供调节最大、最小容量的手段。

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度将抛出StackOverflowError；

如果JVM Stack可以动态扩展，但是在尝试扩展时无法申请到足够的内存时抛出OutOfMemoryError。

局部变量表中存储基本类型和对象引用.  

long和double在局部变量表需要占用两个空间(spot), 其他类型占用一个.  

局部变量表的内存空间在编译时就已经完全确定, 方法运行期间变量表的大小不变.

1.3 本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈与虚拟机栈作用相似，后者为虚拟机执行Java方法服务，而前者为虚拟机用到的Native方法服务。

虚拟机规范对于本地方法栈中方法使用的语言，使用方式和数据结构没有强制规定，甚至有的虚拟机（比如HotSpot）直接把二者合二为一。

这玩意儿抛出的异常跟上面的虚拟机栈一样。

1.4 Java堆（Java Heap）

虚拟机管理的内存中最大的一块，同时也是被所有线程所共享的，它在虚拟机启动时创建，这货存在的意义就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都要在这里分配内存。这里面的对象被自动管理，也就是俗称的GC（Garbage Collector）所管理。用就是了，有GC扛着呢，不用操心销毁回收的事儿。

 Java堆的容量可以是固定大小，也可以随着需求动态扩展（-Xms和-Xmx），并在不需要过多空间时自动收缩。

Java堆所使用的内存不需要保证是物理连续的，只要逻辑上是连续的即可。

JVM实现应当提供给程序员调节Java堆初始容量的手段，对于可动态扩展和收缩的堆来说，则应当提供调节其最大和最小容量的手段。

如果堆中没有内存完成实例分配并且堆也无法扩展，就会抛OutOfMemoryError。  

1.5 方法区（Method Area）(1.8之前)

跟堆一样是被各个线程共享的内存区域，用于存储以被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然这个区域被虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它的别名叫非堆，用来与堆做一下区别。

方法区在虚拟机启动的时候创建。

方法区的容量可以是固定大小的，也可以随着程序执行的需求动态扩展，并在不需要过多空间时自动收缩。

方法区在实际内存空间中可以是不连续的。

Java虚拟机实现应当提供给程序员或者最终用户调节方法区初始容量的手段，对于可以动态扩展和收缩方法区来说，则应当提供调节其最大、最小容量的手段。

当方法区无法满足内存分配需求时就会抛OutOfMemoryError。

下面有一个小例子，来说明堆，栈和方法区之间的关系的.

    public class Test2 {

        public static void main(String[] args) {

            public Test2 t2 = new Test2();

            //JVM将Test2类信息加载到方法区,new Test2()实例保存在堆区,t2引用保存在栈区  

        }

    }  

1.6 元空间

方法区是一种抽象的定义, 1.8后hotspot使用“元空间”来实现方法区, 方法区位于本地内存之中, 只要本地内存还有剩余, 理论上就可以扩展, 而不会受制于JVM的内存限制.

1.7 运行时常量池（Runtime Constant Pool）, 注意与class文件常量池区分

它是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

Java虚拟机对Class文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、装载和执行。但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然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异常。

        关于class文件常量池，是class文件中记录的字面量和符号引用，class文件还包含类的版本、字段、方法、接口等描述信息。class文件常量池将在类的加载之后到达方法区的运行时常量池，在运行时常量池中符号引用将转化为直接引用。

1.8 直接内存（Direct Memory）

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

JDK1.4加的NIO中，ByteBuffer有个方法是allocateDirect(int capacity) ，这是一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存（包括RAM及SWAP区或者分页文件）的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制（包括物理上的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

1.9 代码运行中的java虚拟机栈

我们使用javap -c(反编译)或-v(反编译附加详细信息)命令来查看字节码.

i++与++i的区别:

通过栈中的数据变动的角度去看, i++与++i, 当我们单独使用这两句时,

    int i=0;

    i++;

或者

    int i=0;

    ++i;

此时的编译字节码指令一模一样,

    iconst_1  1进入操作数栈

    istore_1  栈中数据弹出, 存入局部变量表位置1

    //上面两句是解释 int i=0

    iinc 1,1 变量表1位置加1

iinc 1,1 该命令可不是计算1+1, 而是局部变量表的1位置加上数字1.

当我们把i++进行赋值时,如上图黄色和蓝色区域中, 进行的操作是:

    1. 变量表中数据加载到栈

    2. 变量表中数据自增1

    3. 栈中数据存回变量表

自增之前就已经加载到栈, 自增的是变量表中的数, 栈中已经加载的没有随之改变, 存回变量表的数据是没有自增的.

而图中紫色部分:

    int k=i + ++i*i++;

解析指令:

   iload_1        //代码第一个i, 变量表中的数据入栈

    iinc 1,1       //代码++i

    iload_1

   

    iload_1        //代码i++

    iinc 1,1

    imul

    iadd

    istore_3

可见, 带赋值时 i++与++i 前者是先加载数据到栈再自增,后者是是先自增再加载, 只要牢记自增指令iinc是变量表中自增就容易理解了.

题外话:  

    A a=new A();  

    对于这样的代码, javap -v后,  

          new  #?

          dup

          invokespecial #?

          astore_X

new后面紧跟着的#?, 可以在常量池中定位Class, 这一句指令直接就会创建对象, 当然在此之前要加载这个类, 实例化对象(此时还未初始化对象),对象的引用已经被放在操作数栈中.  

dup命令, 把操作数栈中的引用复制两份,  

原因是下一句指令invokespecial调用构造方法, 构造方法没有返回值, 但却一定需要消耗操作数栈中的对象引用 (即使是无参构造,该构造方法也会有this这样一个符号引用) ,  

如果不把操作数栈中的引用额外复制一份, 一旦它被消耗, 我们就丢失了该对象的访问, 复制一次, 两个引用都指向同一个对象, 在初始化后, 我们还有一个引用可以执行astore, 存入局部变量表.  

**类的加载后, 进行类的实例化, 然后进行类的初始化**  

我认为new a();这一句代码需要分为两部分, new本身就是创建对象, 后面的a(), 是初始化该对象.