Java虛擬機(jī)(JVM)系列三

運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)

一.運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)整體架構(gòu)

運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū).png

• JVM定義了若干種程序在運(yùn)行期間會使用到運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)啼染，其中有一些會隨著JVM啟動而創(chuàng)建，退出而銷毀（進(jìn)程）锚沸，另一些則與線程一一對應(yīng)笔时，這些與線程對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)會隨著線程的開始和結(jié)束而創(chuàng)建和銷毀（線程）
• 方法區(qū)和堆是進(jìn)程級別的颓屑，屬于被共享的
• 棧粒褒、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器是每個線程獨(dú)有一份
• 每個JVM只有一個運(yùn)行時實(shí)例诚镰，即Runtime實(shí)例
• 在HotSpot虛擬機(jī)中奕坟，每個線程與操作系統(tǒng)的本地線程直接映射

二.程序計(jì)數(shù)器（也叫PC寄存器 不存在GC祥款、OOM）

1.作用

• PC寄存器是用來存儲指向下一條指令的地址，由執(zhí)行引擎讀取指令并執(zhí)行

2.簡介

• PC寄存器是一塊很小的空間月杉，幾乎可以忽略不計(jì)刃跛，也是運(yùn)行速度最快的存儲區(qū)域
• 在JVM規(guī)范中，每個線程都有自己的的一個程序計(jì)數(shù)器
• 任何時間一個線程都只有一個方法在執(zhí)行苛萎，即當(dāng)前方法
• 字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令

• 它是唯一一個在JVM規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError的情況的區(qū)域

  
  
  PC寄存器使用舉例.png

3.面試時的問題

• 使用PC寄存器存儲字節(jié)碼指令地址有什么用呢（為什么使用PC寄存器記錄當(dāng)前線程的執(zhí)行地址呢）桨昙？
  • 1）因?yàn)镃PU需要不停的切換各個線程，切換回來后腌歉，需要知道該執(zhí)行哪個指令了
  • 2）JVM解釋器需要通過改變PC寄存器的值來獲取下一條應(yīng)該執(zhí)行什么樣的字節(jié)碼指令
• PC寄存器為什么被設(shè)定為私有的
  為了可以準(zhǔn)確記錄各個線程正在執(zhí)行的當(dāng)前字節(jié)碼指令地址蛙酪，確保各線程間獨(dú)立計(jì)算，不互相干擾

4.額外

• 并行：一個時刻同時執(zhí)行翘盖，并行的關(guān)鍵是同時做很多事情
• 并發(fā)：一個時間段內(nèi)交替執(zhí)行桂塞，并發(fā)的關(guān)鍵是同時管理很多事情

三.棧（虛擬機(jī)棧 存在OOM，不存在GC）

1.簡介

• Java虛擬機(jī)棧在每個線程創(chuàng)建的時候被創(chuàng)建馍驯，其內(nèi)部是一個個的棧幀阁危，對應(yīng)一次次的Java方法調(diào)用
• 主管Java的運(yùn)行，它保存局部變量（8種基本數(shù)據(jù)類型汰瘫、對象的陰影）狂打、部分結(jié)果，并參與方法的調(diào)用和返回

2.棧的特點(diǎn)

• 棧是一種快速有效的分配存儲結(jié)構(gòu)混弥，速度僅次于PC寄存器
• 只有進(jìn)棧和出棧的操作趴乡，具有先進(jìn)后出的特點(diǎn)

3.棧與堆

棧解決的是數(shù)據(jù)運(yùn)行的問題（也存儲局部變量，中間結(jié)果）剑逃，堆解決的是數(shù)據(jù)存儲問題（主要存儲的是對象）

4.面試中遇到的問題

• 開發(fā)中遇到的異常
  棧中可能出現(xiàn)的異常（StackOverflowError：自己調(diào)用自己 OutOfMemoryError）

5.設(shè)置棧參數(shù)

• 設(shè)置棧大姓阋恕（ -Xss256k ----設(shè)置棧大小為256k）

6.棧的存儲單位

• 棧的存儲單位是棧幀，每個方法對應(yīng)一個棧幀（Stack Frame）
• 三個名詞：當(dāng)前棧幀 當(dāng)前方法 當(dāng)前類
• 執(zhí)行引擎運(yùn)行的所有字節(jié)碼指令只對當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作

7.棧楨

每個棧幀中存儲著

• 局部變量表（LC Local Variable）

• 操作數(shù)棧（Operant Stack 或表達(dá)式棧）

• 動態(tài)鏈接（Dynamic Linking 或指向運(yùn)行時常量池的方法引用）

• 返回地址（Return Address 或方法正常退出或者異常退出的定義）

• 一些附加信息

  7.1局部變量表（Local Variable）

  • 局部變量表也被稱為是局部變量數(shù)組或本地變量表
  • 定義為一個數(shù)字?jǐn)?shù)組蛹磺，主要存儲的是方法參數(shù)以及在方法內(nèi)聲明的局部變量（八大基本數(shù)據(jù)類型粟瞬，對象的 引用以及返回地址類型）
  • 局部變量表是創(chuàng)建在線程的棧上面的，是線程的私有數(shù)據(jù)萤捆，因此不存在數(shù)據(jù)安全問題
  • 局部變量表的大腥蛊贰（即數(shù)組長度）是在編譯的時候就定下來的，并且不可以改變
  • 局部變量表中的變量只在當(dāng)前方法內(nèi)有效
  • 局部變量表的基本存儲單元是Slot（變量槽）俗或，32位以內(nèi)的數(shù)據(jù)類型占用一個Slot（byte市怎、short、int辛慰、float区匠、char在存儲前被轉(zhuǎn)換為int、boolean也被轉(zhuǎn)換為int、以及返回地址類型）驰弄，64位的類型（long和double）占據(jù)兩個Slot
  • JVM會為局部變量表中的每一個Slot分配一個訪問索引麻汰，以便訪問到局部變量表中指定的局部變量值
  • 當(dāng)一個實(shí)例方法被調(diào)用的時候，它的方法參數(shù)以及內(nèi)部的局部變量都會被按照順序復(fù)制到局部變量表中的Slot上
  • 如果當(dāng)前棧幀是由構(gòu)造方法或者實(shí)例方法（即非靜態(tài)方法）創(chuàng)建的戚篙，那么該對象的引用this將會被存儲到index為0的slot處（所以當(dāng)我們在靜態(tài)方法中使用this時會報錯）
  • 棧幀中局部變量表中的Slot（槽位）是可以重復(fù)利用五鲫，如果一個局部變量過了作用域，那么在后面聲明的局部變量很可能會復(fù)用過期的局部變量的槽位岔擂，從而達(dá)到節(jié)省資源的目的
  • 局部變量中的變量也是重要的垃圾回收根節(jié)點(diǎn)位喂，只要被局部變量中直接或間接引用的對象都不會被回收

  7.2 操作數(shù)棧（Operand Stack）

  棧可以使用數(shù)組或者鏈表實(shí)現(xiàn)乱灵，只允許進(jìn)棧和出棧操作

• 每一個獨(dú)立的棧幀中除了包括局部變量表塑崖，還包含一個先進(jìn)后出的操作數(shù)棧

• 操作數(shù)棧，在方法執(zhí)行過程中阔蛉，根據(jù)字節(jié)碼指令，往棧中寫入數(shù)據(jù)或取出數(shù)據(jù)聋呢，即入棧和出棧

• 操作數(shù)棧颠区，主要用于保存計(jì)算過程中的中間結(jié)果削锰，同時作為計(jì)算過程中變量的臨時存儲空間

• 每一個操作數(shù)棧，都有一個確定的棧深毕莱，在編譯時就確定（max_stack的值）

• 操作數(shù)棧數(shù)據(jù)的訪問是通過入棧和出棧實(shí)現(xiàn)，而不是通過索引進(jìn)行訪問蛹稍，這與指定局部變量值的訪問不同

• 被調(diào)用的方法如果有返回值，其返回值會被壓入當(dāng)前棧幀的操作數(shù)棧中部服，并更新PC寄存器中下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令

• 我們所說的Java虛擬機(jī)的解釋引擎是基于棧的執(zhí)行引擎唆姐，這個棧就是值操作數(shù)棧

• 棧頂緩存技術(shù)（為了解決數(shù)據(jù)頻繁進(jìn)棧出棧廓八，即內(nèi)存對數(shù)據(jù)頻繁的讀/寫操作進(jìn)而影響速度，提出的此技術(shù)剧蹂，它的核心思想是將棧頂元素全部緩存在物理CPU的寄存器中）

  7.3 動態(tài)鏈接（Dynamic Linking 也叫做 指向運(yùn)行時常量池的方法引用）

動態(tài)鏈接.png

• 每一個棧幀內(nèi)部都包含一個指向運(yùn)行時常量池的該棧幀所屬方法的引用宠叼。其目的是為了當(dāng)前方法的代碼能實(shí)現(xiàn)動態(tài)鏈接（如 invokerdynamic指令）
• java源文件被編譯成字節(jié)碼文件的時候，所有的變量和方法都作為符號引用【類加載子系統(tǒng)鏈接階段的解析步驟】保存在class文件的常量池里。動態(tài)鏈接的作用就是將這些符號引用轉(zhuǎn)換為調(diào)用方法的直接引用

7.4 方法返回地址（Return Address）

• 存放調(diào)用該方法的pc寄存器的值（pc寄存器存儲的是該方法要執(zhí)行的下一條指令的值）醋闭，即調(diào)用該方法的指令的下一條指令的地址朝卒。
• 方法的正常退出和異常推出的區(qū)別是：通過異常完成出口退出的 給他的上層調(diào)用者產(chǎn)生任何的返回值乐埠。
• 一個方法在正常調(diào)用完成后酒精返回哪一一個返回指令需要根據(jù)具體的返回值類型確定丈咐。
• 在字節(jié)碼指令中，返回指令包括
  ireturn：返回值類型是 byte棵逊、char、short徒像、int蛙讥、boolean
  freturn：返回值類型是float
  dreturn：返回值類型是double
  areturn：返回值類型是引用類型
  return：該方法為void方法、實(shí)例初始化方法【構(gòu)造器】次慢、類和接口的初始化方法【構(gòu)造器】）

7.5 一些附加信息

棧幀中還允許攜帶與JVM實(shí)現(xiàn)相關(guān)的一些附加信息旁涤。如對程序調(diào)試提供支持的信息

8.方法調(diào)用

• 在JVM中迫像，將符號引用轉(zhuǎn)換為調(diào)用方法的直接引用與方法的綁定機(jī)制有關(guān)
  綁定：一個字段、方法或類的符號引用被替換為直接引用的過程菌羽，僅發(fā)生一次
  靜態(tài)鏈接：當(dāng)一個字節(jié)碼文件被裝載到JVM內(nèi)部時纷闺，如果被調(diào)用的目標(biāo)方法，在編譯期可知犁功，且運(yùn)行期保持不變。這種情況下將調(diào)用方法的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過程叫靜態(tài)鏈接署鸡，對應(yīng)的綁定機(jī)制是早期綁定
  動態(tài)鏈接：如果在被調(diào)用的方法在編譯期不確定，只能在程序運(yùn)行的期將調(diào)用方法的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用时捌。這種轉(zhuǎn)換過程具備動態(tài)性炉抒，因此稱之為動態(tài)鏈接，對應(yīng)的綁定機(jī)制是晚期綁定
• 非虛方法與虛方法
  如果方法在編譯期就確定了調(diào)用的版本拿诸，在運(yùn)行時保持不變塞茅，則該方法叫非虛方法
  靜態(tài)方法、final修飾的方法描沟、私有方法鞭光、實(shí)例構(gòu)造器、父類方法都是非虛方法迟蜜，其他都是虛方法
• 虛擬機(jī)中提供了以下方法的調(diào)用指令
  invokestatic：調(diào)用靜態(tài)方法啡省，解析階段確定唯一版本
  invokespecial:調(diào)用<init>方法卦睹、私有及父類方法、解析階段確定唯一版本
  invokevirtual: 調(diào)用所有虛方法
  invokeinterface: 調(diào)用接口方法
  invokedynamic:動態(tài)解析出需要調(diào)用的方法障斋，然后執(zhí)行徐鹤。Java8中的Lamda表達(dá)式的出現(xiàn)，使得此指令的生成遂庄，在Java中才有了直接的生成方法
  invokestatic和invokespecial指令調(diào)用的方法叫非虛方法劲赠，其余的（final修飾的方法除外）稱為虛方法
• 靜態(tài)類型語言與動態(tài)類型語言
  靜態(tài)類型語言與動態(tài)類型語言的區(qū)別在于對于類型的檢查是在編譯期還是在運(yùn)行期秸谢，滿足前者的是靜態(tài)類型語言估蹄。靜態(tài)類型語言是判斷變量本身的類型信息沫换，動態(tài)類型語言是判斷變量值的類型信息。變量沒有類型信息刊棕，變量值才有類型信息待逞，這是動態(tài)語言的一個重要特性（如JS）
• 重寫（是動態(tài)分派的典型代表）
  1）當(dāng)調(diào)用一個對象的方法的時候网严，我們會將對象壓入操作數(shù)棧，根據(jù)字節(jié)碼指令（invokevirtual）怜庸，尋找該對象的實(shí)際類型垢村，記做C
  2）如果在類型C中找到與常量池中描述符合簡單名稱都符合的方法嘉栓，則進(jìn)行訪問權(quán)限的校驗(yàn)，如果通過侵佃，則返回該方法的直接引用馋辈，若不通過，則返回java.lang.IllegalAcessEror異常
  3）若在常量中未找到符合的方法叉抡，按照繼承關(guān)系從下往上依次對C 的父類進(jìn)行第二步的搜索和驗(yàn)證答毫。
  4）如果始終未找到，則拋出java.lang.AbstrackMethodError異常
• 虛方法表
  在面向?qū)ο缶幊讨兄嵘樱瑫l繁的使用動態(tài)分派，如果每次在動態(tài)分派過程中都進(jìn)行搜索和驗(yàn)證的步驟侦锯，必然會影響到執(zhí)行效率秦驯，為了提升性能，JVM在類的方法區(qū)建立一個虛方法表
  每個類中都有一個虛方法表亲桥，表中存放各個方法的實(shí)際入口固耘，即真正調(diào)用的放方法
  虛方法表在類加載的鏈接階段的解析步驟中被創(chuàng)建并初始化
  
  虛方法表1.png
  
  如圖撤防，cat（）類中的toString()是重寫Object類中方法村砂，所以toString()實(shí)際所屬類型是Cat類的

9.虛擬機(jī)棧的面試題

• 舉例棧溢出的情況（StackOverFlowError）葫笼？
  通過 -Xss設(shè)置棧的大小
• 調(diào)整棧大小路星，就能保證不出現(xiàn)棧溢出么诱桂？
  不能保證〉姘ぃ可以設(shè)置棧大小確保出現(xiàn)的幾率降低触菜，但不能保證不初選棧溢出
• 分配的棧內(nèi)存越大越好么？
  不是的哲泊〈呋龋總內(nèi)存數(shù)是一定的，如果某個棧內(nèi)存設(shè)置太大先朦，會擠壓其他內(nèi)存結(jié)構(gòu)的空間
• 垃圾回收是否會涉及到虛擬機(jī)棧
  不會。

• 方法中定義的局部變量是否線程安全？
  具體問題具體分析刺彩。（如果局部變量是內(nèi)部產(chǎn)生的创倔，并且在方法內(nèi)消亡的，則是線程安全的畦攘。如果是作為參數(shù)傳進(jìn)來的知押，或者作為方法返回值返回，則會存在線程安全問題）
  何為線程安全？
  --如果只有一個縣城去操作此數(shù)據(jù)偎漫，則此數(shù)據(jù)必是線程安全的象踊。
  --如果多個線程操作此數(shù)據(jù)，則此數(shù)據(jù)是共享數(shù)據(jù)栈虚。如果不考慮同步機(jī)制的話史隆，會存在線程安全問題

四.本地方法棧

Java虛擬機(jī)棧是用來管理Java程序的調(diào)用，而本地方法棧是用來管理本地方法的調(diào)用

• 本地方法棧也是線程私有的
• 當(dāng)我們調(diào)用本地方法的時候粘姜，會將此本地方法壓入本地方法棧中熔酷，在執(zhí)行引擎執(zhí)行時加載本地方法庫

五.本地方法接口（不屬于運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)）

• 一個Native Mehod 就是 Java調(diào)用非Java代碼的接口
• 在定義一個Native Mehotd的時候拒秘，不需要提供 實(shí)現(xiàn)體臭猜，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)體是由非Java語言在外面實(shí)現(xiàn)的
  thread押蚤、Object等類中有多個本地方法
• 標(biāo)識符native可以與所有其他的java標(biāo)識符連用， abstract除外（abstract是沒有實(shí)現(xiàn)體丐膝，但是native是有實(shí)現(xiàn)體的钾菊，只不過是用非java語言實(shí)現(xiàn)的 ）
• 為什么要使用本地方法煞烫？
  • 1.與Java外環(huán)境交互
    有時Java應(yīng)用要與Java外環(huán)境交互，這是本地方法存在的主要原因
  • 2.與操作系統(tǒng)交互
    Java代碼是運(yùn)行在JVM上的凛俱，但是JVM畢竟不是一個完整的系統(tǒng)料饥，經(jīng)常依賴一些底層系統(tǒng)的支持，使用本地方法原叮，我們得以使用Java實(shí)現(xiàn)了jre與底層系統(tǒng)的交互巡蘸。還有我們可以通過本地方法使用java語言本身沒有提供封裝的操作系統(tǒng)的特性悦荒。
  • 3.Sun's Java
    sun的解釋器本身使用C語言編寫的
    六.堆
• 堆的知識點(diǎn)多，單獨(dú)拿一小節(jié)細(xì)說