JVM之内存结构

1. JVM内存结构图

![image-20220427154534377](D:/program x64/Hexo/source/image/image-20220427154534377.png)

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,这些与线程一一对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

  • 线程私有:程序计数器、虚拟机栈、本地方法区
  • 线程共享:堆、方法区, 堆外内存(Java7的永久代或JDK8的元空间、代码缓存)

2. 程序计数器

程序计数寄存器(Program Counter Register),存储指令相关的线程信息,CPU 只有把数据装载到寄存器才能够运行。

JVM 中的 程序计数器(PC 寄存器)是对物理 PC 寄存器的一种抽象模拟

程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器

2.1 作用

PC 寄存器用来存储指向下一条指令的地址,即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。

2.2 概述

  • 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呢?

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。

  • PC寄存器为什么会被设定为线程私有的?

多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程方法,CPU会不停的做任务切换,这样必然会导致经常中断或恢复。为了能够准确的记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址,所以为每个线程都分配了一个PC寄存器,每个线程都独立计算,不会互相影响。

2.3 总结

它是一块很小的内存空间,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一致;

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。如果当前线程正在执行的是 Java 方法,程序计数器记录的是 JVM 字节码指令地址,如果是执行 native 方法,则是未指定值(undefined);

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一条需要执行的字节码指令;

它是唯一一个在 JVM 规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域

3.虚拟机栈

3.1概述

Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks),早期也叫 Java 栈。每个线程在创建的时候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 Java 方法调用,是线程私有的,生命周期和线程一致。

  1. 作用:主管 Java 程序的运行,它保存方法的局部变量、部分结果,并参与方法的调用和返回。

  2. 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
  • JVM 直接对虚拟机栈的操作只有两个:每个方法执行,伴随着入栈(进栈/压栈),方法执行结束出栈
  • 栈不存在垃圾回收问题
  1. 栈中可能出现的异常

    Java 虚拟机规范允许 Java虚拟机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 虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常

3.2 栈的存储单位

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有对应的一个栈帧
  • 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

3.3 栈运行原理

  • JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个,对栈帧的压栈出栈,遵循“先进后出/后进先出”原则

  • 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)

  • 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,称为新的当前栈帧

  • 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,另一种是抛出异常,不管用哪种方式,都会导致栈帧被弹出

3.4 栈帧的内部结构

每个栈帧(Stack Frame)中存储着:

  • 局部变量表(Local Variables)
  • 操作数栈(Operand Stack)(或称为表达式栈)
  • 动态链接(Dynamic Linking):指向运行时常量池的方法引用
  • 方法返回地址(Return Address):方法正常退出或异常退出的地址
  • 一些附加信息

![image-20220429090917932](D:/program x64/Hexo/source/image/image-20220429090917932.png)

3.4.1 局部变量表

  • 局部变量表也被称为局部变量数组或者本地变量表,是一组变量值存储空间,主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量,包括编译器可知的各种 Java 虚拟机基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference类型,它并不等同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此相关的位置)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址,已被异常表取代)

  • 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

  • 局部变量表所需要的容量大小是编译期确定下来的,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。

  • 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

槽 Slot
  • 局部变量表最基本的存储单元是 Slot(变量槽)
  • 在局部变量表中,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)占用两个连续的 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,索引值的范围从 0 开始到局部变量表最大的 Slot 数量
  • 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,不允许采用任何方式单独访问其中的某一个 Slot)
  • 如果当前帧是由构造方法或实例方法创建的,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(这里就引出一个问题:静态方法中为什么不可以引用 this,就是因为this 变量不存在于当前方法的局部变量表中)
  • 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
  • 在栈帧中,与性能调优关系最为密切的就是局部变量表。在方法执行时,虚拟机使用局部变量表完成方法的传递
  • 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

3.4.2 操作数栈

  • 每个独立的栈帧中除了包含局部变量表之外,还包含一个后进先出(Last-In-First-Out)的操作数栈,也可以称为表达式栈(Expression Stack)
  • 操作数栈,在方法执行过程中,根据字节码指令,往操作数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,此时这个方法的操作数栈是空的
  • 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
  • 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

3.4.3 动态链接(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)。
  • 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 文件的常量池中。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

![jvm-dynamic-linking](D:/program x64/Hexo/source/image/0082zybply1gca4k4gndgj31d20o2td0.jpg)

3.4.4 方法返回地址

方法返回地址用来存放调用该方法的 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的,栈帧中一般不会保存这部分信息。

当一个方法开始执行后,只有两种方式可以退出这个方法:

  1. 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令,会有返回值传递给上层的方法调用者,简称正常完成出口

    一个方法的正常调用完成之后究竟需要使用哪一个返回指令还需要根据方法返回值的实际数据类型而定

    在字节码指令中,返回指令包含 ireturn(当返回值是 boolean、byte、char、short 和 int 类型时使用)、lreturn、freturn、dreturn 以及 areturn,另外还有一个 return 指令供声明为 void 的方法、实例初始化方法、类和接口的初始化方法使用。

  2. 在方法执行的过程中遇到了异常,并且这个异常没有在方法内进行处理,也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器,就会导致方法退出。简称异常完成出口

    方法执行过程中抛出异常时的异常处理,存储在一个异常处理表,方便在发生异常的时候找到处理异常的代码。

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

3.4.5 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,但这些信息取决于具体的虚拟机实现。