JVM Basic¶

Java 代码是如何运行起来的¶

字节码文件¶

Java 源代码经过编译后得到 .class 文件，又称为字节码文件

JDK, JRE, JVM¶

JDK : Java Development Kit
JRE : Java Runtime Environment

各个操作系统有自己对应的 JDK，JDK 包含了 JRE

JVM 内存结构¶

JVM 内部的 java 内存模型在 逻辑上 划分为

线程栈（又称为方法栈 / 调用栈）
堆内存

线程栈 中保存了调用链上正在执行的所有方法中的局部变量，每个线程只能访问自己的线程栈。
堆内存 中保存了代码中创建的所有对象（不论是哪个线程创建的，且涵盖了 Integer 等包装类型）。

总结：

原始数据类型和对象引用地址在栈上

对象、对象成员与类定义、静态变量在堆上

当不同线程（通过本地的栈上的引用）访问同一个对象实例中的成员变量时，每个线程在本地会有一个变量的副本
关于 volatile ：
- volatile 修饰的是共享内存中的数据，比如修饰 static 数据，其修饰的数据储存在方法区中
- 对于方法区的变量，线程直接读取/改写，而非将其挪到线程的栈上
- 但是注意到 CPU 和内存间的高速缓存，volatile 对于变量的修改不一定会直接反映在主存中
  - 这里可以结合 cache 的 write back 策略理解

JVM 运行时数据区¶

JVM 内存：受虚拟机内存大小的参数控制，当大小超过设置的大小时会报 OOM
本地内存：被利用但是不虚拟机直接管理，其大小不受参数控制，但是当超过物理内存的容量限制时会报 OOM

1. 程序计数器¶

任何时间一个线程都只有一个方法在执行，称为当前方法。

当前线程正在执行 Java 方法，程序计数器记录 JVM 字节码指令的行号
正在执行 native 方法，则是 undefined

程序计数器是线程私有的，生命周期与线程的生命周期一致，由字节码解释器 控制

此数据区是唯一一个在 JVM 规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 的区域

2. 虚拟机栈（Java栈）¶

注意，这里的“基本数据类型”指的是类型是基本数据类型的方法本地变量

Java 方法有两种返回函数的方式：

正常返回 return
抛出异常

虚拟机栈有两种异常状况：
- 请求的栈深度大于虚拟机允许的深度：StackOverFlowError
- 如果虚拟机栈容量可以动态扩展，当无法在扩展时申请到足够的内存：OutOfMemoryError

3. 本地方法栈¶

虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（字节码）服务
本地方法栈为虚拟机使用到的 native method 服务

二者都是线程私有的。

Hotspot 虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一了

4. 堆¶

在 Java8 中主要存放：

对象实例
字符串常量池
静态变量：又称为 类变量 ，static 修饰
线程分配缓冲区：用于提升对象分配时的效率

Java 虚拟机规范规定，Java 堆可以处在物理不连续，但逻辑需要连续的区域中，堆的大小是可以拓展的（通过 -Xmx 和 -Xms 控制）。

如果堆中的内存不够完成实例的内存分配，且堆无法再拓展，则会抛出 OutOfMemoryException 异常

堆内存的进一步划分¶

Eden 区：新对象最初会被分到 Eden 区，且 Eden 区较大，频繁进行垃圾回收
Survivor 区：两个 Suervivor 区 S0 和 S1 交替使用，新对象在 Eden 区经过一次垃圾回收后存放到其中的一个 Survivor 区，进一步存活的对象会移到另一个 Survivor 区，最终变为老年代
老年代：长生命周期对象经过多次垃圾回收后会被移到老年代，Major GC 在老年代进行，频率低、耗时长

5. 方法区¶

方法区是所有线程共享的内存，

在java8以前是放在JVM内存中的，由永久代实现，受JVM内存大小参数的限制

在java8中移除了永久代的内容，方法区由元空间(Meta Space)实现，并直接放到了本地内存中，不受JVM参数的限制（当然，如果物理内存被占满了，方法区也会报OOM），并且将原来放在方法区的字符串常量池和静态变量都转移到了Java堆中，方法区与其他区域不同的地方在于，方法区在编译期间和类加载完成后的内容有少许不同，不过总的来说分为这两部分:
1. 类元信息（Klass）
  - 类元信息在类编译期间放入方法区，里面放置了类的基本信息，包括类的版本、字段、方法、接口以及常量池表（Constant Pool Table）
  - 常量池表（Constant Pool Table）存储了类在编译期间生成的字面量、符号引用(什么是字面量？什么是符号引用？)，这些信息在类加载完后会被解析到运行时常量池中
2. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）
  - 运行时常量池主要存放在类加载后被解析的字面量与符号引用，但不止这些
  - 运行时常量池具备动态性，可以添加数据，比较多的使用就是String类的intern()方法

JDK8 之前，HotSpot 使用永久代来实现方法区

JDK8 之后使用元空间 metaspace ，元空间使用的是本地内存

运行时常量池¶

当类加载到内存中后，JVM就会将class常量池中的内容存放到运行时常量池中；运行时常量池里面存储的主要是编译期间生成的字面量、符号引用等等。

类加载在链接环节的解析过程，会符号引用转换成直接引用（静态链接）。此处得到的直接引用也是放到运行时常量池中的。
运行期间可以动态放入新的常量。

类加载 的“解析”阶段，使用 静态链接 来将符号引用转换为直接引用

适用于静态方法、私有方法、构造方法、final 方法等

运行时 通过动态链接将符号引用替换为直接引用

适用于实例方法（无论是否被重写）
// 动态链接的例子
public class Dog extends Animal {
 @Override
 public void sound() {
     System.out.println("Dog barks");
 }
}

public class Test {
 public static void main(String[] args) {
     Animal animal = new Dog(); // 向上转型
     // 静态类型为 Animal
     // 实际类型为 Dog
     // 编译器并不知道其实际类型，方法调用依赖于实际类型
     animal.sound();
 }
}
这段代码中的 animal.sound(); 就是符号引用，编译器会将 sound 方法的符号引用存在常量池中

这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。JVM 为每个已加载的类型（类 / 接口）都维护一个运行时常量池，在加载类和接口到虚拟机后创建。所以运行时常量池相对于 Class 文件常量池的一个重要特性是动态性。

不要求常量只有在编译期才能产生，运行时也可以把新的常量放入池中，例如：
// 使用 new 创建字符串，不会放入字符串常量池
String str3 = new String("Hello");

// 使用 intern() 方法将字符串放入字符串常量池
String str4 = str3.intern();