运行时数据区内部结构

运行时数据区内部结构

Java,虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建（方法区和堆），随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一 一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

• 一个JVM实例就对应一个唯一的Runtime实例

程序计数器

JVM中的程序计数寄存器(Program Counter Register) 中，Register 的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。

这里，并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为PC计数器(或指令计数器)会更加贴切(也称为程序钩子)，并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一-种抽象模拟。

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PC寄存器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。

• 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。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，生命周期与线程的生命周期保持--致。
• 任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法JVM指令地址;或者，如果是在执行native方法，则是未指定值(undefned) 。
• 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。
• 字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下--条需要执行的字节码指令。
• 它是唯一 一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOtMemoryError情况的区域。

使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢?为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址?

因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。
JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。

虚拟机栈

• Java虚拟机栈是什么？

  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，其内部保一个个的栈帧(Stack Frame) ，对应着一次次的Java方法调用。

  • 是线程私有的

• 生命周期

  和线程保持一致

• 作用

  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。

• 特点（优点）

  • 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:
    ➢每个方法执行，伴随着进栈(入栈、压栈)
    ➢执行结束后的出栈工作.
  • 对于栈来说不存在垃圾回收问题。

如何设置栈大小

我们可以使用参数-Xss选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

栈的存储结构和运行原理

栈中存储什么？

• 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧(stack Frame)的格式存在。
• 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧(stack Frame )。
• 栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

栈运行原理

• JVM直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈，遵循“先进后出”/“后进先出”原则。
• 在一条活动线程中，一一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧(栈顶栈帧)是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧(Current Frame) ，与当前栈帧相对应的方法就是当前方法(CurrentMethod) ，定义这个方法的类就是当前类(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，对应的新的栈帧会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前帧。

• 不同线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在-一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。
• 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方法有两种返回函数的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令;另外- -种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。

栈帧的内部结构

• 局部变量表(Local variables)

  • 局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表
  • 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。
  • 定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量,这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用(reference) ，以及returnAddress类型。
    • 参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。
    • 局部变量表，最基本的存储单元是Slot (变量槽)
    • 局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型(8种)，引用类型(reference)，returnAddress类型的变量。
    • 在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot (包括returnAddress类型)，64位的类型(long和double)占用两个slot。
      ➢byte 、short 、char在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false ，非0表示true。
      ➢long和double则占据两个Slot。
    • JVM会为局部变量表中的每一个S1ot都分配一一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值
    • 当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上
    • 如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时，只需要使用前-一个索引即可。(比如:访问long或double类型变量)
    • 如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用this将会存放在index为0的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。
    • 栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的，如果一个局部变量过了其作用域（使用代码块或for循环等），那么在其作用域之后申明的新的局部变量就很有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。
  • 由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题
  • 局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。 在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。

• 操作数栈(operand Stack) (或表达式栈)

  • 在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈(push) /出栈(pop)。

    ➢某些字节码指令将值压入操作数栈，其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈。
    ➢比如:执行复制、交换、求和等操作

  • 操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。

  • 操作数栈就是JVM执行引擎的一一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候,一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈是空的。

  • 每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为max_ stack的值。

  • 栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型
    ➢32bit的类型占用一个栈单位深度
    ➢64bit的类型占用两个栈单位深度

  • 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈(push) 和出栈(pop)操作来完成一次数据访问。

  • 如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。

  • 操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。

  • 另外，我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

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

  • 每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接(Dynamic Linking)。比如: invokedynamic指令
  • 在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用(Symbolic Reference) 保存在class文件的常量池里。比如:描述一一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。

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

  • 存放调用该方法的pc寄存器的值
  • 一个方法的结束，有两种方式:
    ➢正常执行完成
    ➢出现未处理的异常，非正常退出
  • 无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。
  • 本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。
  • 正常完成出口和异常完成出口的区别在于:通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。

• 一些附加信息

  • 栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如，对程序调试提供支持的信息。

方法的调用原理

在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关。

• 静态链接:

  当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行期保持不变时。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。

• 动态链接:
  如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也就被称之为动态链接。

• 对应的方法的绑定机制为:早期绑定(Early Binding)和晚期绑定(Late Binding) 。绑定是一个字段，方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。

• 早期绑定:
  早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知，且运行期保持不变时,即可将这个方法与所属的类型进行绑定，这样一来，由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个，因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。

• 晚期绑定:
  如果被调用的方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法，这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。

4种方法调用指令区分虚方法和非虚方法

• 如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的。这样的方法称为非虚方法。
• 静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。其他方法称为虚方法。

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令:

普通调用指令:

1. invokestatic:调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
2. invokespecial: 调用方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本
3. invokevirtual: 调用所有虚方法(final修饰的方法除外)
4. invokeinterface: 调用接口方法

动态调用指令:（JDK7+)

5. invokedynamic: 动态解析出需要调用的方法，然后执行

• 前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，而invokedynamic指 令则支持由用户确定方法版本。其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虛方法，其余的(final修饰的除外)称为虚方法。
  • JVM字节码指令集一直比较稳定，一直到Java7中才增加了一个.invokedynamic指令，这是Java为了实现「动态类型语言」支持而做的一种改进。
  • 但是在Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法，需要借助ASM这种底层字节码工具来产生invokedynamic指令。直到Java8的Lambda表达式的出现，invokedynamic指 令的生成，在Java中才有 了直接的生成方式。
  • Java7中增加的动态语言类型支持的本质是对Java虚拟机规范的修改，而不.是对Java语言规则的修改，这一 块相对来讲比较复杂，增加了虚拟机中的方法调用，最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言的编译器。

方法重写的本质和虚方法表

Java 语言中方法重写的本质:

1. 找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型，记作C
2. 如果在类型C中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法,则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找不通过，则返回java. lang.IllegalAccessError 异常。
3. 否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
4. 如果始终没有找到合适的方法，则抛出java. lang .AbstractMethodError异常。

虚方法表：

• 在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，如果在每次动态分派的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能影响到执行效率。因此，为了提高性能，JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表(virtual method table) (非虚方法不会出现在表中)来实现。使用索引表来代替查找。
• 每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。
• 虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，JVM会把该类的方法表也初始化完毕。

本地方法栈

• Java虚拟机栈用于管理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。(在内存溢出方面是相同的)
  ➢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，Java虚拟机将会抛出一个stackOverflowError 异常。
  ➢如果本地方法栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈，那么Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError 异常。
• 本地方法是使用c语言实现的。
• 它的具体做法是Native Method Stack中 登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库。
• 当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虛拟机拥有同样的权限。
  ➢本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。
  ➢它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器
  ➢直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。
• 并不是所有的JVM都支持本地方法。因为Java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果JVM产品不打算支持native方法，也可以无需实现本地方法栈。
• 在Hotspot JVM中， 直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

堆

• 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的。
• 《Java虛拟机规范》规定，堆可以处于物理.上不连续的内存空间中，但在逻辑.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(Thread Local Al location Buffer, TLAB) 。
• 《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是:所有的对象实例以及数组都应当在运行耐分配在堆上。(The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated )
  ➢“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存(特殊情况会在栈上分配)。一从实际使用角度看的。
• 数组和对象可能永远不会存储在栈上，因为栈帧中保存引用，这个引用指向对象或者数组在堆中的位置。
• 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。

堆内存结构

现代垃圾收集器大部分都基于分代收集理论设计,堆空间细分为:

• Java 7及之前堆内存逻辑上分为三部分:新生区+养老区+永久区
  ➢Young Generation Space 新生区 Young/New
  又被划分为Eden区和Survivor区
  ➢Tenure generation space 养老区 old/ Tenure
  ➢Permanent Space 永久区 Perm
• Java 8及之后堆内存逻辑上分为三部分:新生区+养老区+元空间
  ➢Young Generation Space 新生区 Young/New
  又被划分为Eden区和Survivor区
  ➢Tenure generation space 养老区 old/Tenure
  ➢Meta Space 元空间 Meta
• 约定:新生区<=>新生代台<=>年轻代 养老区<=>老年区<=>老年代 永久区<=>永久代

堆空间大小的设置

• Java堆区用于存储Java对象实例，那么堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，大家可以通过选项" -Xmx"和" -Xms”来进行设置。
  ➢“-Xms"用于表示堆区的起始内存，等价于-XX: InitialHeapSize
  ➢“-Xmx"则用于表示堆区的最大内存，等价于-XX :MaxHeapSize
• 一旦堆区中的内存大小超过“-Xmx"所指定的最大内存时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
• 通常会将-Xms和- Xmx两个参数配置相同的值，其目的是为了能够在java垃圾回收机制清理完堆区后不需要重新分隔计算堆区的大小，从而提高性能。
• 默认情况下，初始内存大小:物理电脑内存大小/ 64 最大内存大小:物理电脑内存大小/ 4

年轻代和老年代

• 存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类:
  ➢一类是生命周期较短的瞬时对象，这类对象的创建和消亡都非常迅速
  ➢另外一类对象的生命周期却非常长，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致。
• Java堆区进一步细分的话， 可以划分为年轻代(YoungGen)和老年代(OldGen)
• 其中年轻代又可以划分为Eden空间、Survivor0空间和Survivor1空间(有时也叫做from区、to区)。
• 配置新生代与老年代在堆结构的占比。
  ➢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
• 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
• 几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的。
• 绝大部分的Java对象的销毁都在新生代进行了。
  ➢IBM公司的专门研究表明，新生代中80%的对象都是“朝生夕死”的。
• 可以使用选项"-Xmn"设置新生代最大内存大小
  ➢这个参数一般使用默认值就可以了。

垃圾回收概念

JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存(新生代、老年代;方法区)区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。
针对Hotspot VM的实现，它里面的GC按照回收区域又分为两大种类型:一种是部分收集(Partial GC)，一种是整堆收集(Fu11 GC )

• 部分收集:不是完整收集整个Java堆的垃圾收集。 其中又分为:
  ➢新生代收集(Minor GC / Young GC) :只是新生代的垃圾收集
  ➢老年代收集(Major GC / 0ld GC) :只是老年代的垃圾收集。

  • 目前，只有CMS GC会有单独收集老年代的行为。
  • 注意，很多时候Major GC会和Fu1l GC混淆使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收。

  ➢混合收集(Mixed GC):收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。

  • 目前，只有G1 GC会有这种行为

• 整堆收集(Full GC):收集整个java堆和方法区的垃圾收集。

年轻代GC(Minor GC) 触发机制:

• 当年轻代空间不足时，就会触发Minor GC，这里的年轻代满指的是Eden代满，Survivor满不会引发GC。(每次 Minor GC会清理年轻代的内存。)
• 因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以MinorGC非常频繁，一般回收速度也比较快。这一定义既清晰又易于理解。
• Minor GC会引发STW，暂停其它用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行。

老年代GC (Major GC/Full GC)触发机制:

• 指发生在老年代的GC，对象从老年代消失时，我们说“Major GC" 或“Fu1l GC”发生了。
• 出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC (但非绝对的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程)。
  • 也就是在老年代空间不足时，会先尝试触发Minor GC。如果之后空间还不足，则触发Major GC
• Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上，STW的时间更长。
• 如果Major GC后，内存还不足，就报OOM了。
• Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

Fu11 GC触发机制
触发Fu1l GC执行的情况有如下五种:
(1) 调用System.gc()时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行
(2)老年代空间不足
(3)方法区空间不足
(4)通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存.
(5)由Eden区、survivor space0 (From Space)区向survivor space1 (To Space)区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小
说明: full gc是开发或调优中尽量要避免的。这样暂停时间会短一些。

对象提升规则

针对不同年龄段的对象分配原则如下所示:

• 优先分配到Eden
• 大对象直接分配到老年代
  ➢尽量避免程序中出现过多的大对象
• 长期存活的对象分配到老年代
• 动态对象年龄判断
  ➢如果Survivor 区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。
• 空间分配担保
  ➢-XX: HandlePromotionFailure

对象分配和新生代垃圾回收(YGC/Minor GC)

新对象一般在Eden区分配，当Eden区满了或是Eden区剩余空间不足以放下新的对象时会进行YGC将垃圾回收，然后将剩下的对象放到幸存区(from)，即清空Eden区。

• 针对幸存者s0,s1区的总结:复制之后有交换，谁空谁是to.
• 关于垃圾回收:频繁在新生区收集，很少在养老区收集，几乎不在永久区/元空间收集。

TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

为什么有TLAB？

• 堆区是线程共享区域，任何线程都可以访问到堆区中的共享数据
• 由于对象实例的创建在JVM中非常频繁，因此在并发环境下从堆区中划分内存空间是线程不安全的
• 为避免多个线程操作同一地址，需要使用加锁等机制，进而影响分配速度。

什么是TLAB?

• 从内存模型而不是垃圾收集的角度，对Eden区 域继续进行划分，JVM为每个线程分配了一个私有缓存区域，它包含在Eden空间内。
• 多线程同时分配内存时，使用TLAB可以避免一系列的非线程安全问题，同时还能够提升内存分配的吞吐量，因此我们可以将这种内存分配方式称之为快速分配策略。
• 据我所知所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。
• 尽管不是所有的对象实例都能够在TLAB中成功分配内存，但JVM确实是将TLAB作为内存分配的首选。
• 在程序中，开发人员可以通过选项“-XX:UseTLAB”设置是否开启TLAB空间。
• 默认情况下，TLAB空 间的内存非常小，仅占有整个Eden空间的1%，当然我们可以通过选项“-XX:TLABWasteTargetPercent"设置TLAB空间所占用Eden空间的百分比大小。
• 一旦对象在TLAB空间分配内存失败时，JVM就会尝试着通过使用加锁机制确保数据操作的原子性，从而直接在Eden空间中分配内存。

堆空间参数的设置

• 官网说明: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html
• -XX:+PrintFlagsInitial :查看所有的参数的默认初始值
• -XX:+PrintFlagsFinal : 查看所有的参数的最终值(可能会存在修改，不再是初始值)
• -Xms:初始堆空间内存 (默认为物理内存的1/64)
• -Xmx:最大堆空间内存(默认为物理内存的1/4)
• -Xmn: 设置新生代的大小。(初始值及最大值)
• -XX: NewRatio:配置新生代与老年代在堆结构的占比
• XX:NewRatio:配置新生代与老年代在堆结构的占比
• -XX:SurvivorRatio:设置新生代中Eden和S0/S1空间的比例
• -XX:MaxTenuringThreshold:设置新生代垃圾的最大年龄
• -XX: +PrintGCDetails:输出详细的GC处理日志
  打印gc简要信息:①-XX:+PrintGC ② -verbose:gc
• -XX:HandlePromotionFailure:是否设置空间分配担保

在发生Minor GC之前，虚拟机会检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的总空间。

• 如果大于， 则此次Minor GC是安全的

• 如果小于，则虚拟机会查看-XX:HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。
  ➢如果HandlePromotionFailure=true， 那么会继续检查老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升到老年代的对象的平均大小。

  • 如果大于，则尝试进行一次Minor GC，但这次Minor GC依然是有风险的;
  • 如果小于，则改为进行一次Full GC。

  ➢如果HandlePromotionFailure=false， 则改为进行一次Full GC。

在JDK6 Update24之 后，HandlePromotionFailure 参数不会再影响到虚拟机的空间分配担保策略，观察OpenJDK中 的源码变化，虽然源码中还定义了HandlePromotionFailure参数，但是在代码中已经不会再使用它。JDK6 Update24之后的规则变为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小就会进行Minor GC，否则将进行Full GC。

逃逸分析

在Java虚拟机中，对象是在Java堆中分配内存的，这是一个普遍的常识。但是，有一种特殊情况，那就是如果经过逃逸分析(Escape Analysis) 后发现，一个对象并没有逃逸出方法的话，那么就可能被优化成栈上分配。这样就无需在堆上分配内存，也无须进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。

• 逃逸分析是一种可以有效减少Java程序中同步负载和内存堆分配压力的跨函数全局数据流分析算法。

• 通过逃逸分析，Java Hotspot编译器能够分析出一个新的对象的引用的使用范围从而决定是否要将这个对象分配到堆上。

• 逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域
  ➢当一个对象在方法中被定义后，对象只在方法内部使用，则认为没有发生逃逸。
  ➢当一个对象在方法中被定义后，它被外部方法所引用，则认为发生逃逸。例如作为调用参数传递到其他地方中。

• 参数设置:

  • 在JDK 6u23版本之后，Hotspot中默认就已经开启了逃逸分析。
  • 如果使用的是较早的版本，开发人员则可以通过:
    ➢选项“-XX: +DoEscapeAnalysis"显式开启逃逸分析若JDK是32位还需加上-server参数，因为在server模式下才可以使用逃逸分析，而32位是默认client模式
    ➢通过选项“-XX: +PrintEscapeAnalysis"查看逃逸分析的筛选结果。

• 开发中能使用局部变量的，就不要使用在方法外定义。

• 使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化:

  一、栈上分配。将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈分配的候选，而不是堆分配。

  ​ 据我所知 Oracle Hotspot JVM中（至JDK13）并没有这么做

  二、同步省略。如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。

  • 线程同步的代价是相当高的，同步的后果是降低并发性和性能。
  • 在动态编译同步块的时候，JIT编译器可以借助逃逸分析来判断同步块所使用的锁对象是否只能够被一个线程访问而没有被发布到其他线程。如果没有，那么JIT编译器在编译这个同步块的时候就会取消对这部分代码的同步。这样就能大大提高并发性和性能。这个取消同步的过程就叫同步省略，也叫锁消除。

  三、分离对象或标量替换。有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分(或全部)可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。.

  • 标量(Scalar)是指一个无法再分解成更小的数据的数据。Java中的原始数据类型就是标量。
  • 相对的，那些还可以分解的数据叫做聚合量(Aggregate)，Java中的对象就是聚合量，因为他可以分解成其他聚合量和标量。
  • 在JIT阶段，如果经过逃逸分析，发现一个对象不会被外界访问的话，那么经过JIT优化，就会把这个对象拆解成若千个其中包含的若千个成员变量来代替。这个过程就是标量替换。.
  • 标量替换参数设置:
    参数-XX: +EliminateAllocations:开启了标量替换(默认打开)，允许将对象打散分配在栈上。

public static void main(String[] args) {
        alloc();
}
private static void alloc() {
    Point point = new Point(1, 2);
    System.out.println("point.x=" + point.x + "; point.y=" + point.y);
}
class Point {
    private int X;
    private int y;
}

以上代码经过标量替换就会变成

public static void main(String[] args) {
    private int X;
    private int y;
    
    System.out.println("point.x=" + x + "; point.y=" + y);
}

方法区/元空间

栈、堆方法区的交互关系

方法区的理解

《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- - 部分，但一些简单的实现可能不会选择去进行垃圾收集或者进行压缩。”但对于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。

• 方法区(Method Area)与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。
• 方法区在JVM启动的时候被创建，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错误: java. lang . OutOfMemoryError:PermGen space---JDK7或者java. lang . OutOfMemoryError: Metaspace---JDK8
• 关闭JVM就会释放这个区域的内存。

Hotspot 中方法区的演进

• 在jdk7及以前，习惯上把方法区，称为永久代。jdk8开始，使用元空间取代了永久代。

• 本质上，方法区和永久代并不等价。仅是对hotspot而言的。《Java 虚拟机规范》对如何实现方法区，不做统一要求。例如: BEA JRockit/ IBM J9中不存在永久代的概念。
  ➢现在来看，当年使用永久代，不是好的idea。导致Java程序更容易OOM (超过-XX :MaxPermSize上限)

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• 元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代最大的区别在于:元空间不在虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存。
• 永久代、元空间二者并不只是名字变了，内部结构也调整了。
• 根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出O0M异常。

设置方法区大小与OOM

• 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。

• jdk7及以前:
  ➢通过-XX: PermSize来设置永久代初始分配空间。默认值是20.75M
  ➢-XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配空间。32位机器默认是64M，64位机器模式是82M
  ➢当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报异常OutOfMemoryError : PermGenspace。

  -XX:PermSize=100m -XX:MaxPermSize=100m
  

• jdk8及以后:
  ➢元数据区大小可以使用参数-XX :MetaspaceSize和-XX : MaxMetaspaceSize指定,替代上述原有的两个参数。
  ➢默认值依赖于平台。windows下，-XX:MetaspaceSize是21M，-XX:MaxMetaspaceSize的值是-1，即没有限制。
  ➢与永久代不同， 如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。如果元数据区发生溢出，虚拟机一样会抛出异常OutOfMemoryError: Metaspace
  ➢-XX :MetaspaceSize:设置初始的元空间大小。对于一个 64位的服务器端JVM来说，其默认的-XX :Me taspaceSize值为21MB。这就是初始的高水位线，一旦触及这个水位线，FullGC将会被触发并卸载没用的类(即这些类对应的类加载器不再存活),然后这个高水位线将会重置。新的高水位线的值取决于GC后释放了多少元空间。如果释放的空间不足，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。如果释放空间过多，则适当降低该值。
  ➢如果初始化的高水位线设置过低，上述高水位 线调整情况会发生很多次。通过垃圾回收器的日志可以观察到Full GC多次调用。为了避免频繁地GC，建议将-XX :MetaspaceSize设置为一个相对较高的值。

  -XX:MetaspaceSize=100m  -XX:MaxMetaspaceSize=100m
  

1、要解决OOM异常或heap space的异常，一般的手段是首先通过内存映像分析工具(如Eclipse Memory Analyzer) 对dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏(Memory Leak)还是内存溢出(Memory 0verflow)。
2、如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GCRoots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄漏对象的类型信息，以及GCRoots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。
3、如果不存在内存泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数( -Xmx与-Xms) ，与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。

方法区的内部结构

《深入理解Java虚拟机》书中对方法区(Method Area)存储内容描述如下: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等。

类型信息

• 对每个加载的类型(类class、接口interface、枚举enum、注解annotation) ，JVM必须在方法区中存储以下类型信息:
  ①这个类型的完整有效名称(全名=包名.类名)
  ②这个类型直接父类的完整有效名(对于interface或是java.lang.object，都没有父类)
  ③这个类型的修饰符(public, abstract, final的某个子集)
  ④这个类型直接接口的一个有序列表

域（field）信息---成员变量

• JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序。
• 域的相关信息包括:域名称、域类型、域修饰符(public, private,protected, static, final, volatile, transient的某个子集)

方法信息

• JVM必须保存所有方法的以下信息，同域信息一样包括声明顺序:
  • 方法名称
  • 方法的返回类型(或void)
  • 方法参数的数量和类型(按顺序)
  • 方法的修饰符 (public, private, protected, static, final,synchronized, native,abstract的一个子集)
  • 方法的字节码(bytecodes)、操作数栈、局部变量表及大小(abstract和native方法除外)
  • 异常表( abstract和native方法除外)
    ➢每个异常处理的开始位置、结束位置、代码处理在程序计数器中的偏移地址、被捕获的异常类的常量池索引

non-final类型的变量

• 静态变量和类关联在一起，随着类的加载而加载,它们成为类数据在逻辑上的一部分。
• 类变量被类的所有实例共享，即使没有类实例时你也可以访问它。

全局常量 static final

• 被声明为final的类变量的处理方法则不同，每个全局常量在编译的时候就会被分配了。(编译时就被赋值了而不是加载时)

运行时常量池

常量池

• 方法区，内部包含了运行时常量池。

• 字节码文件，内部包含了常量池。

• 要弄清楚方法区，需要理解清楚ClassFile，因为加载类的信息都在方法区。

• 要弄清楚方法区的运行时常量池，需要理解清楚ClassFile中的常量池。
  https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html
  如下:

  ClassFile {
      u4             magic;
      u2             minor_version;
      u2             major_version;
      u2             constant_pool_count;
      cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];
      u2             access_flags;
      u2             this_class;
      u2             super_class;
      u2             interfaces_count;
      u2             interfaces[interfaces_count];
      u2             fields_count;
      field_info     fields[fields_count];
      u2             methods_count;
      method_info    methods[methods_count];
      u2             attributes_count;
      attribute_info attributes[attributes_count];
  }
  

一个java源文件中的类、接口，编译后产生一个字节码文件。而Java中的字 节码需要数据支持，通常这种数据会很大以至于不能直接存到字节码里，换另一种方式，可以存到常量池，这个字节码包含了指向常量池的引用。在动态链接的时候会用到运行时常量池，之前有介绍。

比如如下代码：

public class SimpleClass{
    public void syaHello(){
        System.out.println("Hello");
    }
}

编译后虽然只有194字节，但是里面却使用了String、System、 PrintStream及object等结构。这里代码量其实已经很小了。如果代码多，引用到的结构会更多!这里就需要常量池了!

几种在常量池内存储的数据类型包括:

• 数量值
• 字符串值
• 类引用
• 字段引用
• 方法引用

常量池总结

常量池，可以看做是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等类型。

运行时常量池

• 运行时常量池( Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。
• 常量池表( Constant Pool Table) 是Class文件的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
• 运行时常量池，在加载类和接口到虚拟机后，就会创建对应的运行时常量池。
• JVM为每个已加载的类型(类或接口)都维护一个常量池。池中的数据项像数组项一样，是通过索引访问的。
• 运行时常量池中包含多种不同的常量，包括编译期就已经明确的数值字面量，也包括到运行期解析后才能够获得的方法或者字段引用。此时不再是常量池中的符号地址了，这里换为真实地址。
  ➢运行时常量池，相对于Class文件常量池的另一重要特征是:具备动态性。
• 运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表(symbol table) ，但是它所包含的数据却比符号表要更加丰富一些。
• 当创建类或接口的运行时常量池时，如果构造运行时常量池所需的内存空间超过了方法区所能提供的最大值，则JVM会抛OutOfMemoryError异常。

方法区的演进细节

1. 首先明确:只有Hotspot才 有永久代。BEA JRockit、 IBM J9等来说，是不存在永久代的概念的。原则上如何实现方
   法区属于虚拟机实现细节，不受《Java虚拟机规范》管束，并不要求统一。

2. Hotspot中方法区的变化:

   • jdk1.6及之前

     有永久代(permanent generation)， 静态变量存放在永久代上

   • jdk1.7

     有永久代，但已经逐步“去永久代”，字符串常量池、静态变量移除，保存在堆中。

   • jdk1.8及以后

     无永久代，类型信息、字段、方法、常量保存在本地内存的元空间，但字符串常量池、静态变量仍在堆中。

注意！静态变量对象本身始终在堆中，改变的是对对象的引用

永久代为什么要被元空间替换

• 随着Java8的到来，Hotspot VM中再也见不到永久代了。但是这并不意味着类的元数据信息也消失了。这些数据被移到了一个与堆不相连的本地内存区域，这个区域叫做元空间( Metaspace )。
• 由于类的元数据分配在本地内存中，元空间的最大可分配空间就是系统可用内存空间。
• 这项改动是很有必要的，原因有:
  1. 为永久代设置空间大小是很难确定的。
     在某些场景下，如果动态加载类过多，容易产生Perm区的OOM。比如某个实际web.工程中，因为功能点比较多，在运行过程中，要不断动态加载很多类，经常出现致命错误。OutOfMemoryError: PermGen
     而元空间和永久代之间最大的区别在于:元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。
  2. 对永久代进行调优是很困难的。

String Table 为什么要调整位置

jdk7中将StringTable放到了堆空间中。因为永久代的回收效率很低，在full gc的时候才会触发。而full gc是老年代的空间不足、永久代不足时才会触发。这就导致StringTable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。

方法区的垃圾回收

有些人认为方法区(如HotSpot虛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。事实上也确实有未实现或未能完整实现方法区类型卸载的收集器存在(如JDK11时期的ZGC收集器就不支持类卸载)。

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。以前Sun公司的Bug列表中，曾出现过的若干个严重的Bug就是由于低版本的HotSpot虛拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

方法区的垃圾收集主要回收两部分内容:常量池中废弃的常量和不再使用的类型。

• 先来说说方法区内常量池之中主要存放的两大类常量:字面量和符号引用。字面量比较接近Java语言层次的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括下面三类常量:
  ➢1、类和接口的全限定名
  ➢2、字段的名称和描述符
  ➢3、方法的名称和描述符
• HotSpot虚拟机对常量池的回收策略是很明确的，只要常量池中的常量没有被任何地方引用，就可以被回收。
• 回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。
• 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。
• Java虚拟机被允许对满足上述三个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“被允许”，而并不是和对象一样，没有引用了就必然会回收。关于是否要对类型进行回收,HotSpot虛拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-verbose: class以及-XX: +TraceClass-Loading、-XX:+TraceClassUnLoading查看类加载和卸载信息
• 在大量使用反射、动态代理、CGLib等 字节码框架，动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义类加载器的场景中，通常都需要Java虚拟机具备类型卸载的能力，以保证不会对方法区造成过大的内存压力。
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