【尚硅谷】JVM-运行时内存篇
【尚硅谷】JVM-运行时内存篇
時光官方资料：
在线视频：尚硅谷JVM精讲与GC调优教程（宋红康主讲，含jvm面试真题）
课程资料：尚硅谷宋红康JVM精讲与GC调优
代码仓库：
1、说明
不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。结合JVM虚拟机规范，来探讨一下经典的JVM内存布局。
面试题：
说一说JVM的内存结构是什么样子的,每个区域放什么，各有什么特点？（快手、搜狐）
JVM内存模型有哪些？（龙湖地产）
JVM的内存模型，线程独有的放在哪里？哪些是线程共享的？哪些是线程独占的？（万达集团）
讲一下为什么JVM要分为堆、方法区等？原理是什么？（小米、搜狐）
讲讲JVM运行时数据库区 (字节跳动)
JVM的内存布局以及垃圾回收原理及过程讲一下 (京东)
你能画出HotSpotVM内存结构图吗？
哪些内存结构与线程一一对应？
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，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。
2、程序计数器
面试题：JVM计数器如何记数（京东-物流）?
2.1、为什么需要它？
- 为了保证程序(在操作系统中理解为进程)能够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用，所以通常又称为指令计数器。
- 在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC，因此程序计数器（PC）的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，即每执行一条指令PC增加一个量，这个量等于指令所含的字节数，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。
- 由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单的对PC加1。
- 当程序转移时，转移指令执行的最终结果就是要改变PC的值，此PC值就是转去的地址，以此实现转移。有些机器中也称PC为指令指针IP（Instruction Pointer）。
小结：
- 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。
- PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也是即将要执行的指令代码。执行引擎的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一条需要执行的字节码指令。
为什么执行native方法时，是undefined？
- 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方法的JVM指令地址。
- native 本地方法是大多是通过C语言实现，并未编译成需要执行的字节码指令，所以在计数器中当然是空（undefined）。
2.2、案例
1 | public int test() { |
对应的字节码：
1 | public int test(); |
字节码指令分析：
2.3、基本特征
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。
总结：
- 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。不会随着程序的运行需要更大的空间。
- 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一致。
- 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。
2.4、两个问题
2.4.1、PC寄存器存储字节码指令地址有什么用？
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。
2.4.2、PC寄存器为什么被设定为线程私有的？
我们都知道所谓的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法，CPU会不停地做任务切换，这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器，这样一来各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。
3、虚拟机栈
3.1、概述
有不少Java开发人员一提到Java内存结构，就会非常粗粒度地将JVM中的内存区理解为仅有Java堆(heap)和Java栈(stack)？
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，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的Java方法调用。
- 是线程私有的
生命周期：
生命周期和线程一致。
特点：
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。
3.1.1、如何理解栈管运行，堆管存储？
面试题：
- 堆和栈的区别、谁的性能更高（艾绒软件）
- 为什么要把堆和栈区分出来呢？栈中不是也可以存储数据吗？ (阿里)
解答思路：
- 角度一：GC;OOM
- 角度二：栈、堆执行效率
- 角度三：内存大小；数据结构
- 角度四：栈管运行；堆管存储。
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。
- 局部变量 vs 成员变量(或属性)
- 基本数据变量 vs 引用类型变量（类、数组、接口）
即：栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。
3.1.2、栈存在GC吗?
不存在GC ; 存在OOM
3.1.3、可能抛出的异常？
面试题：
- 什么情况下会发生栈内存溢出（360）
- 栈存在内存溢出吗 (京东)
解答思路：
- 局部数组过大。当函数内部的数组过大时，有可能导致堆栈溢出。
- 递归调用层次太多。递归函数在运行时会执行压栈操作，当压栈次数太多时，也会导致堆栈溢出。
Java 虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。
- 如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个 StackOverflowError 异常。
- 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，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虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出—个 OutOfMemoryError 异常。
3.1.4、如何设置栈内存大小？
面试题：Java中，栈的大小通过什么参数来设置？
-Xss size (即：-XX:ThreadStackSize)
- 一般默认为512k-1024k，取决于操作系统。
- 栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。
- 设置的栈空间值过大，会导致系统可以用于创建线程的数量减少。一般一个进程中通常有3000-5000个线程。
默认值
- jdk5.0之前，默认栈大小：256k
- jdk5.0之后，默认栈大小：1024k （linux\mac\windows)
3.2、栈的单位：栈帧（Stack Frame）
面试题：
栈是如何运行的（OPPO）
VM有哪些组成，堆，栈各放了什么东西。（新浪）
怎么理解栈、堆？堆中存什么？栈中存什么？ (阿里)
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。
3.2.1、方法和栈帧的关系？
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。
在一条活动线程中，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（Current Method），定义这个方法的类就是当前类（Current Class）。
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。
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。
3.2.2、栈的FILO原理?
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
- 遵循“先进后出”/“后进先出”原则
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；另外一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
3.3、栈桢内部结构
每个栈帧中存储着：
- 局部变量表（Local Variables）
- 操作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）
- 动态链接(Dynamic Linking) （或指向运行时常量池的方法引用）
- 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
- 一些附加信息
3.3.1、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
- 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(8种)、对象引用（reference），以及returnAddress类型。
- 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。
- 方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言，它的参数和局部变量越多，使得局部变量表膨胀，它的栈帧就越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占用更多的栈空间，导致其嵌套调用次数就会减少。
- 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。
可以看到，在Class文件的局部变量表中，显示了每个局部变量的作用域范围、所在槽位的索引(index列)、变量名(name列)和数据类型(J表示long型)。
3.3.1.1、存在线程安全问题吗？
由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据线程安全问题。
3.3.1.2、关于Slot的理解
- 参数值的存放总是在局部变量数组的index为0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）。
- 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Slot都分配一个访问索引，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。
3.3.1.3、Slot的重复利用举例？
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，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。
1 | public class SlotTest { |
3.3.1.4、静态变量与局部变量的对比
参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。
我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。
和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。
1
2
3
4public void test() {
int i;
System.out.println(i);
}这样的代码是错误的，没有赋值不能够使用。
3.3.1.5、与GC Roots的关系
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。
3.3.2、操作数栈（Operand Stack）
3.3.2.1、概念
- 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。
- 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出（Last-In-First-Out）的操作数栈，也可以称之为表达式栈（Expression Stack）。
- 操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，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可以是任意的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，在方法执行过程中，根据字节码指令，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，往栈中写入数据或提取数据来完成一次数据访问。
- 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
- 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。
代码举例：
1 | public void testAddOperation() { |
字节码指令信息:
1 | public void testAddOperation(); |
- 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。
3.3.2.2、代码演示
1 | public void testAddOperation(){ |
字节码分析：
3.3.2.3、何为栈顶缓存技术？
前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将需要更多的指令分派（instruction dispatch）次数和内存读/写次数。
由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM的设计者们提出了栈顶缓存（ToS，Top-of-Stack Cashing）技术，将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率。
3.3.3、动态链接
动态链接（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。
举例：
1 | public void testGetSum(){ |
3.3.3.1、为什么需要常量池呢？
常量池的作用，就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别。
3.3.3.2、方法的调用
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。
