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運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

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JAVA方法運(yùn)行的內(nèi)存區(qū)域

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• 程序計(jì)數(shù)器
  較小的內(nèi)存空間，當(dāng)前線程執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器；各線程之間獨(dú)立存儲(chǔ)品嚣，互不影響。
  程序計(jì)數(shù)器是一塊很小的內(nèi)存空間钧大，主要用來記錄各個(gè)線程執(zhí)行的字節(jié)碼的地址翰撑，例如，分支啊央、循環(huán)眶诈、跳轉(zhuǎn)、異常瓜饥、線程恢復(fù)等都依賴于計(jì)數(shù)器逝撬。
  由于 Java 是多線程語言，當(dāng)執(zhí)行的線程數(shù)量超過 CPU 核數(shù)時(shí)乓土，線程之間會(huì)根據(jù)時(shí)間片輪詢爭奪 CPU 資源宪潮。如果一個(gè)線程的時(shí)間片用完了，或者是其它原因?qū)е逻@個(gè)線程的 CPU 資源被提前搶奪趣苏，那么這個(gè)退出的線程就需要單獨(dú)的一個(gè)程序計(jì)數(shù)器狡相，來記錄下一條運(yùn)行的指令。
  程序計(jì)數(shù)器也是JVM中唯一不會(huì)OOM(OutOfMemory)的內(nèi)存區(qū)域
• 虛擬機(jī)棧
  棧是什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)食磕？先進(jìn)后出(FILO)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)尽棕，
  虛擬機(jī)棧在JVM運(yùn)行過程中存儲(chǔ)當(dāng)前線程運(yùn)行方法所需的數(shù)據(jù)，指令彬伦、返回地址滔悉。
  Java 虛擬機(jī)棧是基于線程的伊诵。哪怕你只有一個(gè) main() 方法，也是以線程的方式運(yùn)行的回官。在線程的生命周期中曹宴，參與計(jì)算的數(shù)據(jù)會(huì)頻繁地入棧和出棧，棧的生命周期是和線程一樣的孙乖。
  棧里的每條數(shù)據(jù)浙炼，就是棧幀份氧。在每個(gè) Java 方法被調(diào)用的時(shí)候唯袄，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，并入棧蜗帜。一旦完成相應(yīng)的調(diào)用恋拷，則出棧。所有的棧幀都出棧后厅缺，線程也就結(jié)束了蔬顾。
  每個(gè)棧幀，都包含四個(gè)區(qū)域：(局部變量表湘捎、操作數(shù)棧诀豁、動(dòng)態(tài)連接、返回地址)
  棧的大小缺省為1M窥妇，可用參數(shù) –Xss調(diào)整大小舷胜，例如-Xss256k

1. 局部變量表:顧名思義就是局部變量的表，用于存放我們的局部變量的活翩。首先它是一個(gè)32位的長度烹骨，主要存放我們的Java的八大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型，一般32位就可以存放下材泄，如果是64位的就使用高低位占用兩個(gè)也可以存放下沮焕，如果是局部的一些對象，比如我們的Object對象拉宗，我們只需要存放它的一個(gè)引用地址即可峦树。
2. 操作數(shù)據(jù)棧：存放我們方法執(zhí)行的操作數(shù)的，它就是一個(gè)棧旦事，先進(jìn)后出的棧結(jié)構(gòu)魁巩，操作數(shù)棧，就是用來操作的族檬，操作的的元素可以是任意的java數(shù)據(jù)類型歪赢，所以我們知道一個(gè)方法剛剛開始的時(shí)候，這個(gè)方法的操作數(shù)棧就是空的单料，操作數(shù)棧運(yùn)行方法就是JVM一直運(yùn)行入棧/出棧的操作
3. 動(dòng)態(tài)連接:Java語言特性多態(tài)（需要類運(yùn)行時(shí)才能確定具體的方法）埋凯。
4. 返回地址:正常返回（調(diào)用程序計(jì)數(shù)器中的地址作為返回）点楼、異常的話（通過異常處理器表<非棧幀中的>來確定）

棧幀執(zhí)行對內(nèi)存區(qū)域的影響

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• 字節(jié)碼助記碼解釋地址：<u>https://cloud.tencent.com/developer/article/1333540</u>
  
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  在JVM中，基于解釋執(zhí)行的這種方式是基于棧的引擎白对，這個(gè)說的棧掠廓，就是操作數(shù)棧。

本地(native)方法運(yùn)行的內(nèi)存區(qū)域

本地方法棧

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• 本地方法棧跟 Java 虛擬機(jī)棧的功能類似甩恼，Java 虛擬機(jī)棧用于管理 Java 函數(shù)的調(diào)用蟀瞧，而本地方法棧則用于管理本地方法的調(diào)用。但本地方法并不是用 Java 實(shí)現(xiàn)的条摸，而是由 C 語言實(shí)現(xiàn)的悦污。
  本地方法棧是和虛擬機(jī)棧非常相似的一個(gè)區(qū)域，它服務(wù)的對象是 native 方法钉蒲。你甚至可以認(rèn)為虛擬機(jī)棧和本地方法棧是同一個(gè)區(qū)域切端。
  虛擬機(jī)規(guī)范無強(qiáng)制規(guī)定，各版本虛擬機(jī)自由實(shí)現(xiàn) 顷啼，HotSpot直接把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一 踏枣。

線程共享的區(qū)域

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方法區(qū)/永久代

很多開發(fā)者都習(xí)慣將方法區(qū)稱為“永久代”，其實(shí)這兩者并不是等價(jià)的钙蒙。

HotSpot 虛擬機(jī)使用永久代來實(shí)現(xiàn)方法區(qū)茵瀑，但在其它虛擬機(jī)中，例如躬厌，Oracle 的 JRockit马昨、IBM 的 J9 就不存在永久代一說。因此烤咧，方法區(qū)只是 JVM 中規(guī)范的一部分偏陪，可以說，在 HotSpot 虛擬機(jī)中煮嫌，設(shè)計(jì)人員使用了永久代來實(shí)現(xiàn)了 JVM 規(guī)范的方法區(qū)笛谦。

方法區(qū)主要是用來存放已被虛擬機(jī)加載的類相關(guān)信息，包括類信息昌阿、靜態(tài)變量饥脑、常量、運(yùn)行時(shí)常量池懦冰、字符串常量池灶轰。

JVM 在執(zhí)行某個(gè)類的時(shí)候，必須先加載刷钢。在加載類（加載笋颤、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析伴澄、初始化）的時(shí)候赋除，JVM 會(huì)先加載 class 文件，而在 class 文件中除了有類的版本非凌、字段举农、方法和接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池 (Constant Pool Table)敞嗡，用于存放編譯期間生成的各種字面量和符號引用颁糟。

字面量包括字符串（String a=“b”）、基本類型的常量（final 修飾的變量）喉悴，符號引用則包括類和方法的全限定名（例如 String 這個(gè)類棱貌，它的全限定名就是 Java/lang/String）、字段的名稱和描述符以及方法的名稱和描述符粥惧。

而當(dāng)類加載到內(nèi)存中后键畴，JVM 就會(huì)將 class 文件常量池中的內(nèi)容存放到運(yùn)行時(shí)的常量池中；在解析階段突雪，JVM 會(huì)把符號引用替換為直接引用（對象的索引值）。

例如涡贱，類中的一個(gè)字符串常量在 class 文件中時(shí)咏删，存放在 class 文件常量池中的；在 JVM 加載完類之后问词，JVM 會(huì)將這個(gè)字符串常量放到運(yùn)行時(shí)常量池中督函，并在解析階段，指定該字符串對象的索引值激挪。運(yùn)行時(shí)常量池是全局共享的辰狡，多個(gè)類共用一個(gè)運(yùn)行時(shí)常量池，class 文件中常量池多個(gè)相同的字符串在運(yùn)行時(shí)常量池只會(huì)存在一份垄分。

方法區(qū)與堆空間類似宛篇，也是一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)，所以方法區(qū)是線程共享的薄湿。假如兩個(gè)線程都試圖訪問方法區(qū)中的同一個(gè)類信息叫倍，而這個(gè)類還沒有裝入 JVM，那么此時(shí)就只允許一個(gè)線程去加載它豺瘤，另一個(gè)線程必須等待吆倦。在 HotSpot 虛擬機(jī)、Java7 版本中已經(jīng)將永久代的靜態(tài)變量和運(yùn)行時(shí)常量池轉(zhuǎn)移到了堆中坐求，其余部分則存儲(chǔ)在 JVM 的非堆內(nèi)存中蚕泽，而 Java8 版本已經(jīng)將方法區(qū)中實(shí)現(xiàn)的永久代去掉了，并用元空間（class metadata）代替了之前的永久代桥嗤，并且元空間的存儲(chǔ)位置是本地

元空間大小參數(shù)：

jdk1.7及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize须妻；-XX:MaxPermSize派任；

jdk1.8以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize

jdk1.8以后大小就只受本機(jī)總內(nèi)存的限制（如果不設(shè)置參數(shù)的話）

JVM參數(shù)參考：<u>https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html</u>

Java8 為什么使用元空間替代永久代璧南，這樣做有什么好處呢掌逛？

官方給出的解釋是：

移除永久代是為了融合 HotSpot JVM 與 JRockit VM 而做出的努力，因?yàn)?JRockit 沒有永久代司倚，所以不需要配置永久代豆混。

永久代內(nèi)存經(jīng)常不夠用或發(fā)生內(nèi)存溢出，拋出異常 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen动知。這是因?yàn)樵?JDK1.7 版本中皿伺，指定的 PermGen 區(qū)大小為 8M，由于 PermGen 中類的元數(shù)據(jù)信息在每次 FullGC 的時(shí)候都可能被收集盒粮，回收率都偏低鸵鸥，成績很難令人滿意；還有丹皱，為 PermGen 分配多大的空間很難確定妒穴，PermSize 的大小依賴于很多因素，比如摊崭，JVM 加載的 class 總數(shù)讼油、常量池的大小和方法的大小等。

深入辨析堆和棧

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• 堆
  堆是 JVM 上最大的內(nèi)存區(qū)域呢簸，我們申請的幾乎所有的對象矮台，都是在這里存儲(chǔ)的。我們常說的垃圾回收根时，操作的對象就是堆瘦赫。
  堆空間一般是程序啟動(dòng)時(shí)，就申請了蛤迎，但是并不一定會(huì)全部使用确虱。
  隨著對象的頻繁創(chuàng)建，堆空間占用的越來越多忘苛，就需要不定期的對不再使用的對象進(jìn)行回收蝉娜。這個(gè)在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）扎唾。
  那一個(gè)對象創(chuàng)建的時(shí)候召川，到底是在堆上分配，還是在棧上分配呢胸遇？這和兩個(gè)方面有關(guān)：對象的類型和在 Java 類中存在的位置荧呐。
  Java 的對象可以分為基本數(shù)據(jù)類型和普通對象。
  對于普通對象來說，JVM 會(huì)首先在堆上創(chuàng)建對象倍阐，然后在其他地方使用的其實(shí)是它的引用概疆。比如，把這個(gè)引用保存在虛擬機(jī)棧的局部變量表中峰搪。
  對于基本數(shù)據(jù)類型來說（byte岔冀、short、int概耻、long使套、float、double鞠柄、char)侦高，有兩種情況。當(dāng)你在方法體內(nèi)聲明了基本數(shù)據(jù)類型的對象厌杜，它就會(huì)在棧上直接分配奉呛。其他情況藤滥，都是在堆上分配竭恬。

• 堆大小參數(shù)：
  -Xms：堆的最小值；
  -Xmx：堆的最大值境析；
  -Xmn：新生代的大心琶取馁痴；
  -XX:NewSize；新生代最小值肺孤；
  -XX:MaxNewSize：新生代最大值；
  例如- Xmx256m

• 直接內(nèi)存
  不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分济欢，也不是java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域赠堵；如果使用了NIO,這塊區(qū)域會(huì)被頻繁使用，在java堆內(nèi)可以用directByteBuffer對象直接引用并操作法褥；
  這塊內(nèi)存不受java堆大小限制茫叭，但受本機(jī)總內(nèi)存的限制，可以通過-XX:MaxDirectMemorySize來設(shè)置（默認(rèn)與堆內(nèi)存最大值一樣）半等，所以也會(huì)出現(xiàn)OOM異常揍愁。

內(nèi)存溢出類型

• 棧溢出
  參數(shù)：-Xss1m， 具體默認(rèn)值需要查看官網(wǎng)：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html#BABHDABI
  

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  HotSpot版本中棧的大小是固定的杀饵，是不支持拓展的莽囤。
  java.lang.StackOverflowError 一般的方法調(diào)用是很難出現(xiàn)的，如果出現(xiàn)了可能會(huì)是無限遞歸切距。
  虛擬機(jī)棧帶給我們的啟示：方法的執(zhí)行因?yàn)橐虬蓷E朽缎，所以天生要比實(shí)現(xiàn)同樣功能的循環(huán)慢，所以樹的遍歷算法中：遞歸和非遞歸(循環(huán)來實(shí)現(xiàn))都有存在的意義。遞歸代碼簡潔话肖，非遞歸代碼復(fù)雜但是速度較快北秽。
  OutOfMemoryError：不斷建立線程，JVM申請棧內(nèi)存最筒，機(jī)器沒有足夠的內(nèi)存贺氓。（一般演示不出，演示出來機(jī)器也死了）

• 堆溢出
  申請內(nèi)存空間,超出最大堆內(nèi)存空間床蜘。
  如果是內(nèi)存溢出辙培，則通過 調(diào)大 -Xms，-Xmx參數(shù)悄泥。
  如果不是內(nèi)存泄漏虏冻，就是說內(nèi)存中的對象卻是都是必須存活的，那么久應(yīng)該檢查JVM的堆參數(shù)設(shè)置弹囚，與機(jī)器的內(nèi)存對比厨相，看是否還有可以調(diào)整的空間，再從代碼上檢查是否存在某些對象生命周期過長鸥鹉、持有狀態(tài)時(shí)間過長蛮穿、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等情況，盡量減少程序運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存消耗毁渗。

• 方法區(qū)溢出
  1）運(yùn)行時(shí)常量池溢出
  2）方法區(qū)中保存的Class對象沒有被及時(shí)回收掉或者Class信息占用的內(nèi)存超過了我們配置践磅。

注意Class要被回收，條件比較苛刻（僅僅是可以灸异，不代表必然府适，因?yàn)檫€有一些參數(shù)可以進(jìn)行控制）：

1、 該類所有的實(shí)例都已經(jīng)被回收肺樟，也就是堆中不存在該類的任何實(shí)例檐春。

2、 加載該類的ClassLoader已經(jīng)被回收么伯。

3疟暖、 該類對應(yīng)的java.lang.Class對象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法田柔。

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代碼示例：

cglib是一個(gè)強(qiáng)大的俐巴，高性能，高質(zhì)量的Code生成類庫硬爆，它可以在運(yùn)行期擴(kuò)展Java類與實(shí)現(xiàn)Java接口欣舵。

CGLIB包的底層是通過使用一個(gè)小而快的字節(jié)碼處理框架ASM，來轉(zhuǎn)換字節(jié)碼并生成新的類摆屯。除了CGLIB包邻遏，腳本語言例如Groovy和BeanShell糠亩，也是使用ASM來生成java的字節(jié)碼。當(dāng)然不鼓勵(lì)直接使用ASM准验，因?yàn)樗竽惚仨殞VM內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括class文件的格式和指令集都很熟悉赎线。

• 本機(jī)直接內(nèi)存溢出
  直接內(nèi)存的容量可以通過MaxDirectMemorySize來設(shè)置（默認(rèn)與堆內(nèi)存最大值一樣），所以也會(huì)出現(xiàn)OOM異常糊饱；
  由直接內(nèi)存導(dǎo)致的內(nèi)存溢出垂寥，一個(gè)比較明顯的特征是在HeapDump文件中不會(huì)看見有什么明顯的異常情況，如果發(fā)生了OOM另锋，同時(shí)Dump文件很小滞项，可以考慮重點(diǎn)排查下直接內(nèi)存方面的原因。

虛擬機(jī)優(yōu)化技術(shù)

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• 方法內(nèi)聯(lián)的優(yōu)化行為夭坪，就是把目標(biāo)方法的代碼原封不動(dòng)的“復(fù)制”到調(diào)用的方法中文判，避免真實(shí)的方法調(diào)用而已。

  
  
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• 在一般的模型中室梅，兩個(gè)不同的棧幀的內(nèi)存區(qū)域是獨(dú)立的戏仓，但是大部分的JVM在實(shí)現(xiàn)中會(huì)進(jìn)行一些優(yōu)化，使得兩個(gè)棧幀出現(xiàn)一部分重疊亡鼠。（主要體現(xiàn)在方法中有參數(shù)傳遞的情況）赏殃，讓下面棧幀的操作數(shù)棧和上面棧幀的部分局部變量重疊在一起，這樣做不但節(jié)約了一部分空間间涵，更加重要的是在進(jìn)行方法調(diào)用時(shí)就可以直接公用一部分?jǐn)?shù)據(jù)仁热，無需進(jìn)行額外的參數(shù)復(fù)制傳遞了。

從底層深入理解運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

開啟HSDB工具
Jdk1.8啟動(dòng)JHSDB的時(shí)候必須將sawindbg.dll復(fù)制到對應(yīng)目錄的jre下

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C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_101\lib
執(zhí)行 java -cp .\sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

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當(dāng)我們通過 Java 運(yùn)行以上代碼時(shí)勾哩，JVM 的整個(gè)處理過程如下：

1. JVM 向操作系統(tǒng)申請內(nèi)存抗蠢，JVM 第一步就是通過配置參數(shù)或者默認(rèn)配置參數(shù)向操作系統(tǒng)申請內(nèi)存空間。

2. JVM 獲得內(nèi)存空間后思劳，會(huì)根據(jù)配置參數(shù)分配堆物蝙、棧以及方法區(qū)的內(nèi)存大小。

3. 完成上一個(gè)步驟后敢艰， JVM 首先會(huì)執(zhí)行構(gòu)造器，編譯器會(huì)在.java 文件被編譯成.class 文件時(shí)册赛，收集所有類的初始化代碼钠导，包括靜態(tài)變量賦值語句、靜態(tài)代碼塊森瘪、靜態(tài)方法牡属，靜態(tài)變量和常量放入方法區(qū)

4. 執(zhí)行方法。啟動(dòng) main 線程扼睬，執(zhí)行 main 方法逮栅，開始執(zhí)行第一行代碼悴势。此時(shí)堆內(nèi)存中會(huì)創(chuàng)建一個(gè) Teacher 對象，對象引用 student 就存放在棧中措伐。

執(zhí)行其他方法時(shí)特纤，具體的操作：棧幀執(zhí)行對內(nèi)存區(qū)域的影響。<u>棧幀執(zhí)行對內(nèi)存區(qū)域的影響</u>

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