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关于jvm虚拟机:JVM运行时数据区

jiezi

本文集体博客地址：JVM 运行时数据区 (leafage.top)

JVM 的运行时数据辨别为：

  1. 程序计数器；
  2. 虚拟机栈；
  3. 本地办法栈；
  4. 堆；
  5. 办法区；

其中 <mark> 堆、办法区是线程共享 </mark> 的，<mark> 程序计数器、虚拟机栈、本地办法栈是线程隔离 </mark> 的，构造图示如下：

1. 程序计数器：

Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、调配处理器执行工夫的形式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。

为了线程切换后能复原到正确的执行地位，每条线程都须要有一个独立的程序计数器，能够看作是以后线程所执行的字节码的行号指示器（存储指向下一条指令的地址），行将要执行的指令代码，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。

通过 idea 的 debug 模式能够看到具体的信息：

其特点是：

  • 程序计数器是一块较小的内存空间，线程公有的；
  • 记录非本地办法执行时的字节码指令地址，如果是本地办法，值为 undefined；
  • 惟一一个在《Java 虚拟机标准》中没有规定任何 OutOfMemoryError 状况的区域；

2. 虚拟机栈：

虚拟机栈形容的是 Java 办法执行的线程内存模型：每一个 Java 虚拟机线程创立的同时会创立一个单独的虚拟机栈，其外部保留一个个栈帧（Stack Frame）对应着一次次办法调用。

栈帧：

线程执行办法的内容保留在栈帧中，每一个办法都有本人的栈帧，而对于多层嵌套调用的办法，是依据办法的调用链，向栈中设置栈帧的（栈的操作都是先入，后出），示例如下所示：

同样，通过代码 debug 能够看到其成果：

每个栈帧（Stack Frame）中存储着：

  1. 局部变量表（Local Variables）；
  2. 操作数栈（Operand Stack）；
  3. 动静链接（Dynamic Linking）：指向运行时常量池的办法援用；
  4. 办法返回地址（Return Address）：办法失常退出或异样退出的地址 一些附加信息；
  5. 附加信息

栈帧构造示例图如下所示：

3. 本地办法栈：

什么是本地办法？

答： 由其它语言编写的，编译成和处理器相干的机器代码。

本地办法保留在动态链接库中，即.dll(Windows 零碎) 文件中，格局是各个平台专有的（Java 是平台无关的，然而本地办法不是，这也是为什么 JDK 分 Linux、Windows、MacOS 版本）

为什么要应用本地办法？

答： 应用本地办法的起因有以下几点：

  1. 与 Java 环境外交互：有时 Java 利用须要与 Java 里面的环境交互；
  2. 与操作系统交互：JVM 反对 Java 语言自身和运行时库，然而有时仍须要依赖一些底层零碎的反对。通过本地办法，咱们能够实现用 Java 与实现了 jre 的底层零碎交互，JVM 的一些局部就是 C 语言写的。
  3. Sun‘s Java：Sun 的解释器就是 C 实现的，这使得它能像一些一般的 C 一样与内部交互。比方：类 java.lang.Thread 的 setPriority() 的办法是用 Java 实现的，但它实现调用的是该类的本地办法 setPrioruty()，该办法是 C 实现的，并被植入 JVM 外部。

本地办法栈的特点：

  • 线程公有，容许线程固定或者可动静扩大的内存大小（同虚拟机栈一样）：

    • 如果线程申请的栈深度大于虚拟机所容许的深度，将抛出 StackOverflowError 异样；
    • 如果 Java 虚拟机栈容量能够动静扩大（HotSpot 虚拟机的栈容量是不能够动静扩大的），当栈扩大时无奈申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError 异样；
  • 通过本地办法接口来拜访虚拟机外部的运行时数据区；
  • 并不是所有 JVM 都反对本地办法。因为《Java 虚拟机标准》并没有明确要求本地办法栈的应用语言、具体实现形式、数据结构等；
  • HotSpot 虚拟机中，虚拟机栈和本地办法栈合二为一；

4. 堆：

对于大多数利用，Java 堆是 Java 虚拟机治理的内存中最大的一块，被所有线程共享。此内存区域的惟一目标就是寄存对象实例，简直所有的对象实例以及数据都在这里分配内存。

为了进行高效的垃圾回收，虚拟机把堆内存逻辑上划分成三块区域，目标只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

老年代的内存大小和年老代的大小默认比例为 2：1，老年代默认的最小值为：<mark> 操作系统运行内存 /64，默认最大内存：操作系统运行内存 /4</mark>；

这个咱们能够通过代码，来看一看是否和形容的统一：

public class HeapMemory {public static void main(String[] args) {
        // 返回 JVM 堆大小
        long initalMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
        // 返回 JVM 堆的最大内存
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;

        System.out.println("-Xms :" + initalMemory + "M");
        System.out.println("-Xmx :" + maxMemory + "M");

        System.out.println("零碎内存大小：" + initalMemory * 64 / 1024 + "G");
        System.out.println("零碎内存大小：" + maxMemory * 4 / 1024 + "G");
    }
}

运行后果如下：

D:\env\jdk11\bin\java.exe ...
-Xms : 250M
-Xmx : 3996M
零碎内存大小：15G
零碎内存大小：15G

说到堆，那就离不开一个重要的概念，<mark> 垃圾回收 </mark>，JVM 垃圾回收针对不同的分代年龄，有不同的执行策略或算法。

什么是 Minor GC、Major GC、Mixed GC、Full GC？

答： 在进行 GC 时，并非每次都对堆内存（新生代、老年代；办法区）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，它外面的 GC 依照回收区域又分为两大类：

  1. 局部收集：不是残缺收集整个 Java 堆的垃圾收集。其中又分为：

    • 新生代收集（Minor GC）：只是新生代的垃圾收集；
    • 老年代收集（Major GC）：只是老年代的垃圾收集；
    • 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代以及局部老年代的垃圾收集（目前只有 G1 GC 会有这种行为）；
  2. 整堆收集（Full GC）：收集整个 Java 堆和办法区的垃圾；

5. 办法区：

办法区存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、动态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据；

很多人都更违心把办法区称说为“永恒代”（PermanentGeneration），或将两者一概而论。实质上这两者并不是等价的，因为仅仅是过后的 HotSpot 虚拟机设计团队抉择把收集器的分代设计扩大至办法区，或者说应用永恒代来实现办法区而已，这样使得 HotSpot 的垃圾收集器可能像治理 Java 堆一样治理这部分内存，省去专门为办法区编写内存治理代码的工作。

办法区随着 JDK 的倒退，进行了几次大的变更，最重要的变更产生在 JDK6、JDK7、JDK8，其变动为：

  1. JDK6 –> JDK7: 将字符串常量池，动态变量移出老年代，放到堆中；
  2. JDK7 –> JDK8: 将老年代废除，应用元空间实现，同时将数据存储变更为应用物理内存，不在占用 JVM 内存空间；

变更示例如下图所示：

为什么要替换永恒代，应用元空间？

答： 起因有以下几点：

  1. 为永恒代设置空间大小是很难确定的；

    在某些场景下，如果动静加载类过多，容易产生 Perm 区的 OOM。如果某个理论 Web 工程中，因为性能点比拟多，在运行过程中，要一直动静加载很多类，经常出现 OOM。而元空间和永恒代最大的区别在于，元空间不在虚拟机中，而是应用本地内存，所以默认状况下，元空间的大小仅受本地内存限度

  2. 对永恒代进行调优较艰难；
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