Java虛擬機(jī)

虛擬機(jī)：
定義：模擬某種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，執(zhí)行特定指令集的軟件。
種類：

系統(tǒng)虛擬機(jī)（Virtual Box 、VMware）

進(jìn)程虛擬機(jī)（JVM、Adobe Flash Player、FC模擬器）

Java語言虛擬機(jī)：可以執(zhí)行Java語言的高級(jí)語言虛擬機(jī)。Java語言虛擬機(jī)并不以一定就可以稱為JVM，譬如：Apache Harmony

Java虛擬機(jī)：
1.必須通過Java TCK（Technology Compatibility Kit）的兼容性測(cè)試的Java語言虛擬機(jī)才能成為Java虛擬機(jī)。
2.Java虛擬機(jī)并非一定要執(zhí)行Java程序
3.業(yè)界三大商用JVM：Oracle HotSpot、Oracle JRockit VM、IBM J9 VM

Oracle HotSpot虛擬機(jī)是目前OracleJDK和OpenJDK中自帶的虛擬機(jī)。

Java虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

Java虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，有一些區(qū)域是全局共享的，隨著虛擬機(jī)啟動(dòng)而創(chuàng)建，隨著虛擬機(jī)退出而銷毀。有一些區(qū)域是線程私有的，隨著線程開始和結(jié)束而創(chuàng)建和銷毀。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)劃分：

程序計(jì)數(shù)器

Java堆

Java虛擬機(jī)棧

本地方法棧

方法區(qū)

圖中的方法區(qū)和Java堆這兩部分是所有線程所共享的數(shù)據(jù)區(qū)域，Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器這三部分是線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域。

程序計(jì)數(shù)器：
一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。可以看作是指針，指示著當(dāng)前程序（字節(jié)碼）正在運(yùn)行的一行代碼。
由于Java虛擬機(jī)的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器（對(duì)于多核處理器來說是一個(gè)內(nèi)核）都只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)榫€程私有的內(nèi)存。
如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址：如果正在執(zhí)行的是Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值為空。
程序計(jì)數(shù)器這塊內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在java虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

Java虛擬機(jī)棧：
java虛擬機(jī)棧也是線程私有的。生命周期與線程相同。

每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)中入棧到出棧的過程。

一個(gè)完整的棧幀包含：局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接棧信息、方法正常完成和異常完成信息

1.虛擬機(jī)棧中的局部變量表部分：

局部變量表用于方法間參數(shù)的傳遞，以及方法執(zhí)行過程中存儲(chǔ)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的值和對(duì)象的引用。
局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對(duì)象引用（reference類型）和returnAddress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址，基本不再使用）。
其中64位長(zhǎng)度的long、double類型的數(shù)據(jù)會(huì)占用2個(gè)局部變量空間（Slot），但是不會(huì)像Java內(nèi)存模型中的非原子性一樣，其余的數(shù)據(jù)類型只占用1個(gè)。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。

2.操作數(shù)棧部分：
是一個(gè)后進(jìn)先出的棧，由若干個(gè)Entry組成，長(zhǎng)度由編譯器決定。

單個(gè)Entry即可以存儲(chǔ)一個(gè)Java虛擬機(jī)中定義的任意數(shù)據(jù)類型的值，包括long和double類型，但是存儲(chǔ)long和double類型的Entry深度為2，其他類型深度為1。

在方法執(zhí)行的過程中，棧幀用于存儲(chǔ)計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果；在方法調(diào)用時(shí)，操作數(shù)棧也用來準(zhǔn)備調(diào)用方法的參數(shù)以及接收方法返回結(jié)果。

例子：演示棧幀的局部變量表和操作數(shù)棧的工作方式

字節(jié)碼如圖所示：

方法的執(zhí)行過程：
《1》當(dāng)執(zhí)行第一條字節(jié)碼指令時(shí)：
程序計(jì)數(shù)器首先記載了這條指令的偏移量（為0），bipush字節(jié)碼指令的作用是將后邊跟的整型數(shù)據(jù)入棧到操作數(shù)棧的棧頂，當(dāng)著條指令執(zhí)行完成后，操作數(shù)棧的棧頂將存在一個(gè)數(shù)100。
《2》當(dāng)執(zhí)行第二條字節(jié)碼指令時(shí)：
程序計(jì)數(shù)器將記載這條指令的偏移量（為2，原因是：前邊bipush指令中，指令占用了一個(gè)偏移量，參數(shù)100也占用了一個(gè)偏移量），istore_1字節(jié)碼指令（只有指令，沒有參數(shù)，所以只會(huì)占用一個(gè)偏移量）作用是把操作數(shù)棧的棧頂元素出棧，并且將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到局部變量表索引號(hào)為1的solt之中。
《3》當(dāng)執(zhí)行偏移為11的那條指令時(shí)：執(zhí)行該指令之前，局部變量表中的1號(hào)solt中為100，2號(hào)solt中為200，3號(hào)solt中為300；iload_1指令的作用是將局部變量表索引號(hào)為1的數(shù)存儲(chǔ)到操作數(shù)棧的棧頂，這條指令完成之后操作數(shù)棧的棧頂數(shù)位100
《4》當(dāng)執(zhí)行偏移為12的那條指令時(shí)：iload_2指令將會(huì)將局部變量表中索引號(hào)為2的數(shù)存儲(chǔ)到操作數(shù)棧的棧頂，當(dāng)這條指令完成之后操作數(shù)棧的棧頂將會(huì)有兩個(gè)元素：分別是棧頂元素200和第二個(gè)元素100
《5》執(zhí)行指令iadd，iadd指令是一條整數(shù)加法指令，作用是將操作數(shù)棧距離棧頂最近的兩個(gè)數(shù)出棧，然后把這兩個(gè)數(shù)相加的結(jié)果重新存入操作數(shù)棧的棧頂，當(dāng)這條指令執(zhí)行完之后，操作數(shù)棧的深度變?yōu)?，并且存入了數(shù)據(jù)300
《6》執(zhí)行指令iload_3，將局部變量表索引號(hào)為3的數(shù)300存入操作數(shù)棧的棧頂
《7》執(zhí)行imul指令，該指令是整數(shù)乘法指令，與前邊執(zhí)行整數(shù)加法指令類似，將會(huì)把距離操作數(shù)棧棧頂最近的兩個(gè)數(shù)出棧，相乘后的結(jié)果存入操作數(shù)棧的棧頂
《8》指令ireturn指令的作用是將操作數(shù)棧頂?shù)臄?shù)出棧，將這個(gè)值作為方法返回值進(jìn)行返回。

java虛擬機(jī)棧的兩種異常：
1.StackOverflowError異常：如果線程請(qǐng)求的棧容量大于虛擬機(jī)棧所允許的最大容量時(shí)，Java虛擬機(jī)將會(huì)拋出該異常。
2.OutOfMemeryError異常：如果虛擬機(jī)棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，并且擴(kuò)展的動(dòng)作已經(jīng)嘗試過，但是目前無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存去完成擴(kuò)展，或者在建立新的線程時(shí)沒有足夠的內(nèi)存去創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)棧，那Java虛擬機(jī)將會(huì)拋出該異常。

例子1：模擬StackOverflowError異常

package com.test.JavaVM;/*** 模擬StackOverflowError異常* 2015年9月9日 下午8:09:59* @author 張耀暉**/ public class JavaVMStackSOF {private int stackLength = 1;public static void main(String[] args) {JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();try {oom.stackLeak();} catch (Throwable e) {System.out.println("棧的深度："+oom.stackLength);throw e;}}//該方法遞歸調(diào)用自己public void stackLeak(){stackLength++;stackLeak();}}

運(yùn)行結(jié)果：

例子2：模擬OutOfMemeryError異常

package com.test.JavaVM;/*** 模擬OutOfMemeryError異常* 2015年9月9日 下午8:47:24* @author 張耀暉**/ public class JavaVMStackOOM {public static void main(String[] args) {JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();oom.stackLeakByThread();}private void dontStop(){while(true){}}public void stackLeakByThread(){while(true){Thread thread = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {dontStop();}});thread.start();}} }

運(yùn)行結(jié)果:

這段代碼會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變得很卡，因?yàn)檫@段代碼在不斷的創(chuàng)建線程，直到系統(tǒng)分配給JVM虛擬機(jī)的內(nèi)存不夠時(shí)，就會(huì)拋出OutOfMemeryError異常。

本地方法棧
本地方法棧與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，它們之間的區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。

Sun HotSpot虛擬機(jī)直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一了。

與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

Java堆
java堆是被java所有線程內(nèi)存共享的內(nèi)存區(qū)域。
Java堆是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。
在虛擬機(jī)創(chuàng)建的時(shí)候創(chuàng)建，在虛擬機(jī)銷毀的時(shí)候銷毀。
此區(qū)域的唯一作用：存放Java對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配內(nèi)存。
Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，即常說的GC堆，該區(qū)域是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)內(nèi)存管理的。
因?yàn)镴ava堆是全局共享的內(nèi)存區(qū)域，所有Java線程所分配的Java對(duì)象都存儲(chǔ)在Java堆之中，以為這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域會(huì)被Java線程共同使用，為了避免各個(gè)Java線程所可能產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，例如，兩個(gè)Java線程同時(shí)使用Java堆中的一塊內(nèi)存來分配不同的對(duì)象，這時(shí)候它們就對(duì)Java堆中的空間產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)，為了避免這種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，Java虛擬機(jī)很可能會(huì)把Java堆根據(jù)不同的各個(gè)線程劃分出若干個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)，這時(shí)候各個(gè)線程會(huì)在自己獨(dú)立的分配緩沖區(qū)中分配對(duì)象，當(dāng)分配緩沖區(qū)的空間用完的時(shí)候，才會(huì)加鎖，并且向Java堆分配新的分配緩沖區(qū)的內(nèi)存。
Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上連續(xù)就行，就像我們的磁盤空間一樣。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以實(shí)現(xiàn)成可擴(kuò)展的，不過當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展的來實(shí)現(xiàn)的。

如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法在擴(kuò)展時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常。

從棧到堆的關(guān)聯(lián)過程：
第一種方式：HotSpot虛擬機(jī)采用的方式

第二種方式：

模擬Java堆中的OutOfMemoryError異常例子：

package com.test.JavaVM;import java.util.ArrayList; import java.util.List;/*** 模擬Java堆的OutOfMemoryError異常* 2015年9月10日 下午3:06:03* @author 張耀暉**/ public class HeapOOM {static class OOMObject{}public static void main(String[] args) {List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();//會(huì)不斷的創(chuàng)建OOMObject的對(duì)象，并且創(chuàng)建出來的這些對(duì)象都被List所引用，保證了創(chuàng)建的這些對(duì)象不被Java虛擬機(jī)的自動(dòng)回收機(jī)制所回收while(true){list.add(new OOMObject());}}}

運(yùn)行結(jié)果：

方法區(qū)：
方法區(qū)與Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已經(jīng)被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。
Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)方法區(qū)的限制相當(dāng)寬松，除了和Java堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存和可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展外，還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。相對(duì)而言，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入方法區(qū)就如永久代的名字一樣永久存在了。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載，一般來說，這個(gè)區(qū)域的回收成績(jī)比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當(dāng)?shù)目量?#xff0c;但是這部分區(qū)域的回收確實(shí)是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出現(xiàn)過的若干個(gè)嚴(yán)重的BUG就是由于低版本的HotSpot虛擬機(jī)對(duì)此區(qū)域未完成回收而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。
當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常。

運(yùn)行時(shí)常量池
運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)的引用，這部分內(nèi)容將在類加載后進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中存放。
運(yùn)行時(shí)常量池相對(duì)于Class文件常量池的另外一個(gè)重要的特征是具備動(dòng)態(tài)性，Java語言并不要求常量一定只有編譯期才能產(chǎn)生，也就是并非預(yù)置入Class文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發(fā)人員利用的比較多的便是String類的intern()方法。
既然運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，自然受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當(dāng)常量池?zé)o法在申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

HotSpot虛擬機(jī)方法區(qū)實(shí)現(xiàn)的變遷：
在JDK1.2~JDK6,HotSpot使用永久代實(shí)現(xiàn)方法區(qū)。
在JDK7開始，HotSpot開始了移除永久代的計(jì)劃，符號(hào)表被移到了Native Heap中，字符串常量和類的靜態(tài)引用被移到Java Heap中。
在JDK8開始，永久代已被元空間所代替。

直接內(nèi)存
直接內(nèi)存并不是java虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域的一部分，也不是Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的一塊內(nèi)存區(qū)域，但是該區(qū)域也頻繁的使用，也會(huì)導(dǎo)致OutOfMemoryError異常。
直接內(nèi)存是被java所有線程內(nèi)存共享的內(nèi)存區(qū)域。
直接內(nèi)存區(qū)域能被Java虛擬機(jī)進(jìn)行自動(dòng)內(nèi)存管理，但是檢測(cè)手段是有一些簡(jiǎn)陋的。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java虚拟机内存区域---学习笔记的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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