【JVM】运行时数据区

一、前言

JVM运行时数据区是Java虚拟机的内存管理模型，包括方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器。

二、组成

• 程序计数器：是一块较小的内存空间，是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

• Java虚拟机栈：每个线程在运行时都有自己的一个栈，用于存储局部变量、操作数栈、动态链接等信息。

• 本地方法栈：与虚拟机栈类似，只不过它是用来支持本地方法调用的。

• Java堆内存：用于存储对象实例。

• 方法区：用于存储类的结构信息、常量、静态变量等数据。

三、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

程序计数器用来存储下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码，由执行引擎读取下一条指令。

• 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不计，也是运行速度最快的存储区域；

• 在 JVM 规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程生命周期保持一致；

• 程序计数器会存储当前线程正在执行的 Java 方法的 JVM 指令地址；

• 它是程序控制流的指示器，分支，循环，跳转，异常处理，线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成；

• 它是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域；

四、Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

1. 栈的基本概念

栈是运行时的单位，即栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)，早期也叫 Java 栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个栈帧，对应着一次方法的调用。Java 虚拟机栈是线程私有的，主管 Java 程序的运行，它保存方法的局部变量(8种基本数据类型，对象的引用地址)，部分结果，并参与方法的调用和返回。

2. 栈的特点

• 栈是一种快速有效的分配存储方式，访问速度仅次于程序计数器；

• JVM 直接对 java 栈的操作只有两个：调用方法 入栈；执行结束后 出栈；

• 对于栈来说不存在垃圾回收问题。

栈中会出现异常，当线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时，会出现StackOverflowError。

3. 栈的运行原理

• JVM 直接对 java 栈的操作只有两个，就是对栈帧的入栈和出栈，遵循先进后出/后进先出的原则；

• 在一条活动的线程中，一个时间点上，只会有一个活动栈。即只有当前在执行的方法的栈帧(栈顶)是有效地，这个栈帧被称为当前栈(Current Frame)，与当前栈帧对应的方法称为当前方法(CurrentMethod)，定义这个方法的类称为当前类(Current Class)；

• 执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作；

• 如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧就会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前栈帧。

不同线程中所包含的栈帧(方法)是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈中引用另一个线程的栈帧(方法)；

如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新成为当前栈帧；

Java 方法有两种返回的方式，一种是正常的函数返回，使用 return 指令；另一种是抛出异常；不管哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

栈帧的内部结构

每个栈帧中存储着:

局部变量表(Local Variables)

局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。

操作数栈(Operand Stack)(或表达式栈)

栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。在一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。

动态链接(Dynamic Linking) (或指向运行时常量池的方法引用)

因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。

方法返回地址(Retuen Address)(或方法正常退出或者异常退出的定义)

当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

五、本地方法栈(Native Method Stack)

• Java 虚拟机栈管理 java 方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用；

• 本地方法栈也是线程私有的；

• 允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小；

• 内存溢出方面也是相同的，如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量抛出 StackOverflowError；

• 本地方法是用 C 语言写的；

• 它的具体做法是在 Native Method Stack 中登记 native 方法，在 Execution Engine 执行时加载本地方法库。

六、Java 堆内存

1. Java堆内存概述

• 一个 JVM 实例只存在一个堆内存，堆也是 Java 内存管理的核心区域；

• Java 堆区在 JVM 启动时的时候即被创建，其空间大小也就确定了，是 JVM 管理的最大一块内存空间；

• 堆内存的大小是可以调节：例如: -Xms:10m(堆起始大小) -Xmx:30m(堆最大内存大小)。一般情况可以将起始值和最大值设置为一致，这样会减少垃圾回收之后堆内存重新分配大小的次数，提高效率；

• 《Java 虚拟机规范》规定，堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但逻辑上它应该被视为连续的；

• 所有的线程共享 Java 堆，在这里还可以划分线程私有的缓冲区；

• 《Java 虚拟机规范》中对 Java 堆的描述是：所有的对象实例都应当在运行时分配在堆上，

• 在方法结束后，堆中的对象不会马上被移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。

• 堆是 GC(Garbage Collection，垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域。

2. 堆内存区域划分

Java8 及之后堆内存分为 :新生区(新生代)+老年区(老年代)

新生区分为 Eden(伊甸园)区和 Survivor(幸存者)区

将对象根据存活概率进行分类，对存活时间长的对象，放到固定区，从而减少扫描垃圾时间及 GC 频率。

针对分类进行不同的垃圾回收算法，对算法扬长避短。

3. 对象创建内存分配过程

为新对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务，VM 的设计者们不仅需要考虑内存如何分配，在哪分配等问题，并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关，所以还需要考虑 GC 执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片。

• new 的新对象先放到伊甸园区，此区大小有限制；

• 当伊甸园的空间填满时，程序又需要创建对象时，JVM 的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC)，将伊甸园区中的不再被引用的对象进行销毁，再加载新的对象放到伊甸园区，

• 然后将伊甸园区中的剩余对象移动到幸存者 0 区；

• 如果再次出发垃圾回收，此时上次幸存下来存放到幸存者 0 区的对象，如果没有回收，就会被放到幸存者 1 区，每次会保证有一个幸存者区是空的；

• 如果再次经历垃圾回收,此时会重新放回幸存者 0 区，接着再去幸存者 1 区；

• 什么时候去养老区呢？默认是 15 次，也可以设置参数,最大值为 15：

  -XX:MaxTenuringThreshold=<N>

  在对象头中，它是由 4 位数据来对 GC 年龄进行保存的，所以最大值为 1111，即为15。所以在对象的 GC 年龄达到 15 时，就会从新生代转到老年代；

• 在老年区，相对悠闲，当养老区内存不足时，再次触发 Major GC，进行养老区的内存清理；

• 若养老区执行了 Major GC 之后发现依然无法进行对象保存，就会产生 OOM 异常：Java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space。

4. 新生区与老年区配置比例

• 配置新生代与老年代在堆结构的占比（一般不会调）：

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

• 可以修改**-XX:NewRatio**=4，表示新生代占 1，老年代占 4，新生代占整个堆的 1/5；

• 当发现在整个项目中，生命周期长的对象偏多，那么就可以通过调整老年代的大小，来进行调优 ；

• 在 HotSpot 中，Eden 空间和另外两个 survivor 空间缺省所占的比例是 8 : 1 :1，当然开发人员可以通过选项**-XX:SurvivorRatio**调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8，新生区的对象默认生命周期超过 15 ，就会去养老区养老。

5. 分代收集思想 Minor GC、Major GC、Full GC

JVM 在进行 GC 时，并非每次都新生区和老年区一起回收的，大部分时候回收的都是指新生区。针对 HotSpot VM 的实现,它里面的 GC 按照回收区域又分为两大类型：一种是部分收集，一种是整堆收集。

• 部分收集:不是完整收集整个 java 堆的垃圾收集.其中又分为:

• 新生区收集(Minor GC/Yong GC)：只是新生区(Eden,S0,S1)的垃圾收集；

• 老年区收集(Major GC / Old GC)：只是老年区的垃圾收集；

• 整堆收集(Full GC)：收集整个 java 堆和方法区的垃圾收集；

整堆收集出现的情况：

• 1. System.gc();时；

  2. 老年区空间不足；

  3. 方法区空间不足；

  4. 开发期间尽量避免整堆收集。

6. 堆空间的参数设置

7. 字符串常量池

字符串常量池为什么要调整位置？

JDK7 及以后的版本中将字符串常量池放到了堆空间中。因为方法区的回收效率很低，在 Full GC 的时候才会执行永久代的垃圾回收，而 Full GC 是老年代的空间不足、方法区不足时才会触发。

这就导致字符串常量池回收效率不高，而我们开发中会有大量的字符串被创建，回收效率低，导致永久代内存不足。放到堆里，能及时回收内存。

七、方法区

1. 方法区的基本理解

方法区，是一个被线程共享的内存区域。其中主要存储加载的类字节码、class/method/field 等元数据、static final 常量、static 变量、即时编译器编译后的代码等数据。另外，方法区包含了一个特殊的区域"运行时常量池"。

Java 虚拟机规范中明确说明：尽管所有的方法区在逻辑上是属于堆的一部分，但对HotSpotJVM 而言，方法区还有一个别名叫做 Non-Heap(非堆)，目的就是要和堆分开。

所以，方法区看做是一块独立于 java 堆的内存空间。

方法区在 JVM 启动时被创建，并且它的实际的物理内存空间中和 Java 堆区一样都可以是不连续的。

方法区的大小，跟堆空间一样，可以选择固定大小或者可扩展。

方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区溢出， 虚拟机同样会抛出内存溢出的错误。

关闭 JVM 就会释放这个区域的内存。

2. 方法区大小设置

Java 方法区的大小不必是固定的，JVM 可以根据应用的需要动态调整。

• 元数据区大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMataspaceSize 指定，替代上述原有的两个参数；

• 默认值依赖于平台，windows 下，-XXMetaspaceSize 是 21MB；

• -XX:MaxMetaspaceSize 的值是-1，级没有限制；

• 这个-XX:MetaspaceSize 初始值是 21M 也称为高水位线 一旦触及就会触发 Full GC；

• 因此为了减少 FullGC 那么这个-XX:MetaspaceSize 可以设置一个较高的值；

3. 方法区的内部结构

方法区它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存，运行常量池等。

运行常量池就是一张表，虚拟机指令根据这张表，找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量（常量）等信息,存放编译期间生成的各种字面量（常量）和符号引用。

通过反编译字节码文件查看：

反编译字节码文件，并输出值文本文件中，便于查看。参数 -p 确保能查看private 权限类型的字段或方法。

4. 方法区的垃圾回收

有些人认为方法区（如 Hotspot 虚拟机中的元空间或者永久代）是没有垃圾收集行为的，其实不然。《Java 虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，提到过可以不要求虚拟机在方法区中实现垃圾收集；

一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻。但是这部分区域的回收有时又确实是必要的；

方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：运行时常量池中废弃的常量和不再使用的类型。

判定一个常量是否"废弃"还是相对简单，而要判定一个类型是否属于"不再被使用的类"的条件就比较苛刻了。需要同时满足下面三个条件：

该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。

加载该类的类加载器已经被回收，这个条件除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景，如 OSGi、JSP 的重加载等，否则通常是很难达成的。

该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。