JVM体系结构预览

Class Loader类加载器

负责加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader只负责class文件的加载，值与他是否可以允许，则由Execution Engine决定

Execution Engine执行引擎 负责解释命令，提交操作系统执行

1. 运行时数据区

程序计数器PCR

      每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的,就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（用来存储指向下一条指令的地址,也即将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。**(因为JVM执行代码是一行一行的执行，所以需要计数器来记录当前执行的行数)**

栈(包括虚拟机栈、本地方法栈)

栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致，是线程私有的。基本类型的变量、实例方法、引用类型变量都是在函数的栈内存中分配。

先进后出，后进先出即为栈

栈帧中主要保存3类数据

  • 本地变量（Local Variables）：输入参数和输出参数以及方法内的变量；
  • 栈操作（Operand Stack）：记录出栈、入栈的操作；
  • 栈帧数据（Frame Data）：包括类文件、方法等。

** 栈运行原理**

栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存去块，是一个数据集，是一个有关方法（Method）和运行期数据的数据集，

当一个方法A被调用时就产生一个栈帧F1，并被压入到栈中，

A方法调用了B方法，于是产生栈帧F2也被压入到栈，

B方法调用了C方法，于是产生栈帧F3也被压入到栈。。。

执行完毕后，先弹出F3，再弹出F2，再弹出F1.。。。

遵循“先进后出/后进先出”的原则。

图示在一个栈中有两个栈：

栈2是最先被调用的方法，先入栈，

然后方法2调用了方法1，栈帧1处于栈顶的位置，

栈帧2处于栈底，执行完毕后，依次弹出栈帧1和栈帧2，

线程结束，栈释放。

每执行一个方法都会产生一个栈帧，保存到栈（后进先出）的顶部，顶部栈就是当前的方法，该方法执行完毕后会自动将此栈帧出栈。

虚拟机栈VM stack

每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用来存放局部变量，对象的引用之类的方法信息

线程私有、生命周期与线程相同

每个方法执行会创建一个栈帧

栈帧包括

  • 局部变量表：编译期可知的各种基本数据结构、对象引用、返回地址，存放方法参数及方法内的局部变量
  • 操作数栈
  • 动态链接：指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用
  • 方法出口：储存返回地址
  • 退出方法的方式
    • 正常完成出口
    • 异常完成出口，不会返回值，返回地址通过异常处理器表来确定
  • 退出过程
    • 1）恢复上层方法的局部变量表和操作数栈
    • 2）把返回值压入调用者的栈帧的操作数栈中
    • 3）调整PC计数器指向下一条指令
  • 附加信息

本地方法栈 Native Method Stack

  • 线程私有
  • 与虚拟机栈一样，只是服务的方法类型不一样

堆Heap

  • 线程共享
  • 占内存最大的一块
  • 存放对象实例
  • 垃圾回收的主要区域

1. 堆内存示意图

2. 新生区

新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类再这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生去又分欸两部分：伊甸区（Eden Space）和幸存者区（Survivor Space），所有的类都是再伊甸区被new出来。幸存区又连个：0区和1区。当伊甸园的空间用完是，程序有需要创建对象，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其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园区中的生于对象移动到幸存0区，若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区。如果1区也满了，再移动到养老区。若养老区也满了，那么这时候将产生MajorGC（FullGC），进行养老区的内存清理。若养老区执行了FullGC后发现依然无法进行对象保存，就会产生OOM异常（OutOfMemoryError）。

  • 如果出现java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space异常，说明java虚拟机的堆内存不够。原因有二：

    1. Java虚拟机的对内存设置不够，可以通过参数-Xms、-Xmx来调整

      默认最大内存是机器的四分之一大小

    2. 代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）

==JDK1.8之后，永久代取消了，由元空间取代==

3. 养老区

养老区用于保存从新生区筛选出来的JAVA对象，一般池对象都在这个区域活跃。

4. 永久区

永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK滋生所携带的Class，Interface的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭JVM才会释放此区域所占用的内存。

  • 如果出现java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space，说明是Java虚拟机对永久带Perm内存设置不够，一般出现这种情况，都是程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如在一个Tomcat下部署了太多的应用。或者大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被沾满。
    • Jdk1.6之前：有永久代，常量值1.6在方法区
    • Jdk1.7：有永久代，但已经逐步“去永久代”，常量池1.7在堆
    • Jdk1.8之后：无永久代，常量池1.8在元空间

5. 小总结

逻辑上堆由新生代、养老代、元空间构成、实际上堆只有新生和养老代；方法区就是永久代，永久代是方法区的实现

  • 方法区（Method Area）和堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储虚拟机加载的类信息、普通常量、静态常量、编译器编译后的代码等，虽然JVM规范将方法去描述为堆的一个逻辑部分，但他却还有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分开。
  • 对于HotSpot虚拟机，很多开发者习惯将方法区成为“永久代”，但严格本质上说两者不同，或者说使用永久代来实现方法区而已，永久代是方法区（相当于一个接口Interface）的一个实现，JDK1.7的版本中，已经将原本放在永久代的字符串常量池移走。
  • 常量池（Constant Pool）是方法区的一部分，Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放

方法区Method Area

  • 线程共享
  • 储存已加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据
  • 常量池 —编译器生成的各种字面量和符号引用

      方法区是线程共享的区域，它一般用于储存与类相关的信息，像编译后的代码、静态变量等等，在jdk1.7中它的实现就是放入永久代中，这样的好处就是可以直接使用堆中的GC算法来进行管理，但坏处就是经常会出现内存溢出，即PermGen Space异常。在jdk8中，使用上图的metaspace代替，也就是元空间。元空间使用本地内存，理论上电脑有多少内存，它就有多少内存，避免的内存溢出问题

过程

      首先通过编译器把 Java 代码转换成字节码，类加载器（ClassLoader）再把字节码加载到内存中，将其放在运行时数据区（Runtime data area）的方法区内，而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器执行引擎（Execution Engine），将字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

元空间相比永久代的优势

  1. 字符串常量池在永久代中容易出现性能问题和内存溢出，而元空间使用本地内存，所以不用担心这个问题。
  2. 永久代会给gc带来不必要的复杂性
  3. 类和方法信息大小难以确定，给永久代的大小指定带来困难

深拷贝和浅拷贝的区别

  • 深拷贝   -是增加了一个指针并且申请了一个新的内存，使这个增加的指针指向这个新的内存

  • 浅拷贝   -只是增加了一个指针指向已存在的内存地址，

堆栈的区别

  • 物理地址

堆的物理地址分配对对象是不连续的。因此性能慢些。在GC的时候也要考虑到不连续的分配，所以有各种算法。比如，标记-消除，复制，标记-压缩，分代（即新生代使用复制算法，老年代使用标记——压缩）

栈使用的是数据结构中的栈，先进后出的原则，物理地址分配是连续的。所以性能快。

  • 内存分别

堆因为是不连续的，所以分配的内存是在运行期确认的，因此大小不固定。一般堆大小远远大于栈。

栈是连续的，所以分配的内存大小要在编译期就确认，大小是固定的。

  • 存放的内容

堆存放的是对象的实例和数组。因此该区更关注的是数据的存储

栈存放：局部变量，操作数栈，返回结果。该区更关注的是程序方法的执行。

  • 空间释放

堆由gc释放内存空间.

栈自动释放空间.