JVM内存模型系列

JVM作为运行Java程序的平台，我们Java程序员必须要去了解它。JVM 能涉及非常庞大的一块知识体系， 比如内存结构、 垃圾回收、 类加载、 性能调优、 JVM 自身优化技术、 执行引擎、 类文件结构、 监控工具等。但是在所有的知识体系中， 都或多或少跟内存结构有一定的关系：比如垃圾回收回收的就是内存、 类加载加载到的地方也是内存、 性能优化也涉及到内存优化、 执行引擎与内存密不可分、 类文件结构与内存的设计有关系， 监控工具也会监控内存。 所以内存结构处于 JVM 中核心位置。 也是属于我们入门 JVM 学习的最好的选择。同时 JVM 是一个虚拟化的操作系统， 所以除了要虚拟指令之外， 最重要的一个事情就是需要虚拟化内存， 这个虚拟化内存就是我们马上要讲到的 JVM 的内存区域。

在这里插入图片描述

JVM内存结构可以分为五个模块加上一个直接内存。其中这些模块又可以分为两个大类，线程共享区域和线程私有区域。
线程共享区域：

• 堆内存：JVM 上最大的内存区域， 我们申请的几乎所有的对象， 都是在这里存储的。
• 方法区：JVM的逻辑划分，不同版本有不同实现。主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息， 包括类信息、 静态变量、 常量、 运行时常量池、 字符串常量池等。

线程私有区域：

• 虚拟机栈：JVM 运行过程中存储当前线程运行方法所需的数据， 指令、 返回地址。
• 本地方法栈：Java程序调用底层C/C++函数库。
• 程序计数器：当前线程执行的字节码的行号指示器。

直接内存：又叫堆外内存，它不是虚拟机运行时数据区的一部分，但是虚拟机部分逻辑会用到直接内存。

我们就从线程私有的区域开始讲起吧！

虚拟机栈

它的数据结构如其名，栈是一种FILO(先进后出)的数据结构，它的声明周期和线程息息相关，它的作用就是存储当前线程运行java方法所需的数据、指令、返回地址。(虚拟机栈在Java程序员口中简称栈,为了方便下文就简称栈)
JDK1.8官方指定栈的默认大小为1M，程序运行时可以用 -Xss命令指定大小
栈的结构：
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栈帧：在一个线程里，每当调用一个方法就会创建一个栈帧，并入栈，当方法执行完以后进行出栈

例如：在java代码中A()方法中调用了B()方法，B()方法中又调用了C()方法。那么线程执行A()时，创建一个栈帧入栈，执行B()方法时又创建一个栈帧入栈.....，当C()方法执行完毕出栈，紧跟着B()结束也跟着出栈，直至栈底的栈帧出栈宣告完毕，此时线程也跟着消亡。
栈的组成元素时栈帧，那么栈帧里面长什么样子呢？我们刚说到，栈是拿来存数据， 指令、 返回地址的，那么这些东西肯定是存在栈帧中了，我们来看看栈帧的内部结构：

• 局部变量表：顾名思义它是一张表来存数据的，而且是局部变量的数据。局部变量表中存储的数据是一个32位长度的数据，比如我们常见的8大基本类型变量，如果是double和long则使用32位高低位来标识，如果是对象，那么就存储对象的堆内存地址。
• 操作数栈：顾名思义它的内存结构也是一个栈结构(先进后出)，它的作用就是存储方法运行时执行引擎需要计算的数据。
• 动态链接：解决符号引用相关问题(后续类加载机制时解析)。
• 返回地址：方法执行完毕需要将程序计数器中的地址作为返回，便于后续栈帧执行。

光说概念是不是很枯燥，我们写段代码，通过反汇编来瞅瞅

/**
 * @author Minor
 */
public class Demo1 {

    public int test() {
        int a = 10;
        int b = 20;
        int c = (a+b)*2;
        return c;
    }

}

首先我们定义了一个非常普通的java方法test()，内部定义两个变量a,b然后计算他们的和再乘以2，赋值给c然后返回。我们先用javac命令编译一下得到Demo1.class文件，然后用javap -c命令查看这个class文件的反汇编指令代码，
为了方便，我直接在反汇编指令里面写注释：

 wangzhi@wangzhideMacBook-Pro   ~/Desktop/JavaBase/src/com/company/base  javap -c Demo1   
警告: 二进制文件Demo1包含com.company.base.Demo1
Compiled from "Demo1.java"
public class com.company.base.Demo1 {
  public com.company.base.Demo1();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public int test();                    // 我们java代码里定义的test()方法
    Code:                               // 字节码指令
       0: bipush        10              // 将常量10压入操作数栈
       2: istore_1                      // 将操作数栈的值10存储到局部变量表下标为1的位置
       3: bipush        20              // 将常量20压入操作数栈
       5: istore_2                      // 将操作数栈的值10存储到局部变量表下标为2的位置
       6: iload_1                       // 将局部变量表下标为1的变量压入操作数栈      
       7: iload_2                       // 将局部变量表下标为2的变量压入操作数栈  
       8: iadd                          // 加法运算，将操作数栈里的值进行求和
       9: iconst_2                      // 将值为2的常量压入操作数栈
      10: imul                          // 乘法运算
      11: istore_3                      // 将操作数栈的值存储到局部变量表下标为3的位置
      12: iload_3                       // 将局部变量表下标为3的变量压入操作数栈
      13: ireturn                       // 方法返回
}

class指令集参考表：[https://cloud.tencent.com/developer/article/1333540]
(https://cloud.tencent.com/developer/article/1333540)
我们可以看到，一个简单的方法，解释成jvm指令时变得很复杂，但是每一步缺逻辑清晰。注意一点istore_n指令表示将操作数栈里的值存入局部变量表的下标n的位置。iconst_n表示将n常量压入操作数栈，常量是几，n就是几。
细心的小伙伴注意到了，当操作数栈存储常量10的时候，为什么存储的是局部变量表下标为1的位置。其实java代码底层对方法的调用有一个this，代表当前对象，所以局部变量表index[0]号位置是当前对象this的引用。

有一点需要注意的是，栈这个数据结构是先入后出，如果一个线程不断地入栈而没有出栈，就会造成栈溢出错误StackOverflowException，比如递归操作控制不当就会发生异常。

程序计数器

程序计数器是用来记录线程执行字节码的行号地址，因为现代计算机的工作模式基于CPU的时间片轮转机制，线程在执行程序的时候难免会遇到CPU调度问题，此时就需要一个地方来存储线程当前执行的位置。显然，每个线程各自独立，都有属于自己一份的程序计数器。由于结构简单，功能单一，程序计数器也是JVM内存模型中唯一不会发生内存溢出的地方。需要值得注意的点是当java线程在执行本地方法(native修饰的方法)时，程序计数器并不会记录执行位置，因为操作系统层面也有一个程序计数器，本地方法依靠它去记录。

本地方法栈

本地方发栈顾名思义也是一个栈结构，和虚拟机栈类似。虚拟机栈用于控制java方法的调用，而本地方法栈控制本地方法的调用。