一、jvm概述

jvm又叫java虚拟机（The Java Virtual Machine）,主要有三种功能：运行编译的class文件，内存分配和垃圾回收，提供多线程的同步。参考：Java Virtual Machine Technology Overview

二、jvm内存模型

jvm内存模型是指java虚拟机运行时数据里面包含了哪些东西。

JVM运行时数据区

三、JVM运行时数据区

jvm-framework

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、栈、本地栈

线程共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

方法区：方法区（method area）只是JVM规范中定义的一个概念，用于存储类信息、常量池、静态变量、JIT编译后的代码等数据，并没有规定如何去实现它，不同的厂商有不同的实现。而永久代（PermGen）是 Hotspot 虚拟机特有的概念， Java8 的时候又被元空间取代了，永久代和元空间都可以理解为方法区的落地实现。

堆内存：Java 堆是 Java 虚拟机管理的内存中最大的一块，被所有线程共享。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数据都在这里分配内存。

栈内存：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。

本地方法栈：一个 Native Method 就是一个 Java 调用非 Java 代码的接口。我们知道的 Unsafe 类就有很多本地方法。Java 虚拟机栈用于管理 Java 方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。

程序计数器：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。由字节码执行引擎直接修改。

具体的一个代码例子 上面例子在jvm中的关系

四、程序计数器

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。

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。

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。

通过javap反编译class

五、虚拟机栈

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。

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。

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

可以通过参数-Xss来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。可参考JVMMemorySetting.

每个**栈帧（Stack Frame）**中存储着：

局部变量表（Local Variables）：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），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.

操作数栈（Operand Stack）(或称为表达式栈)：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），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。

动态链接（Dynamic Linking）：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。

动态链接（Dynamic Linking）

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.

栈帧

六、本地方法栈（Native Method Stack）

Java 虚拟机栈用于管理 Java 方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用

本地方法栈也是线程私有的

允许线程固定或者可动态扩展的内存大小，本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区，它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器，直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。

栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。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。

七、堆内存

对于大多数应用，Java 堆是 Java 虚拟机管理的内存中最大的一块，被所有线程共享。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎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（分代的唯一理由就是优化 GC 性能）：

新生带（年轻代）：新对象和没达到一定年龄的对象都在新生代

老年代（养老区）：被长时间使用的对象，老年代的内存空间应该要比年轻代更大

元空间（JDK1.8之前叫永久代）：像一些方法中的操作临时对象等，JDK1.8之前是占用JVM内存，JDK1.8之后直接使用物理内存。

堆内存

7.1、 对象的分配过程

为对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务，JVM 的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里分配等问题，并且由于内存分配算法和内存回收算法密切相关，所以还需要考虑 GC 执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片。

1、new 的对象先放在伊甸园区，此区有大小限制

2、当伊甸园的空间填满时，程序又需要创建对象，JVM 的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（Minor GC），将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。再加载新的对象放到伊甸园区

3、然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者 0 区

4、如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到幸存者 0 区，如果没有回收，就会放到幸存者 1 区

5、如果再次经历垃圾回收，此时会重新放回幸存者 0 区，接着再去幸存者 1 区

6、什么时候才会去养老区呢？ 默认是 15 次回收标记

7、在养老区，相对悠闲。当养老区内存不足时，再次触发 Major GC，进行养老区的内存清理

8、若养老区执行了 Major GC  之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生 OOM 异常

7.2、 GC 垃圾回收简介

可以使用jvisualvm来查看当前线程分配内存的情况。

通过GC Roots标记非垃圾对象

Minor GC、Major GC、Full GC

JVM 在进行 GC 时，并非每次都对堆内存（新生代、老年代；方法区）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，它里面的 GC 按照回收区域又分为两大类：部分收集（Partial GC），整堆收集（Full  GC）

部分收集：不是完整收集整个 Java 堆的垃圾收集。其中又分为：

    目前只有 G1 GC 会有这种行为

    目前，只有 CMS GC 会有单独收集老年代的行为

    很多时候 Major GC 会和 Full GC  混合使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收

    新生代收集（Minor GC/Young GC）：只是新生代的垃圾收集

    老年代收集（Major GC/Old 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部分老年代的垃圾收集

整堆收集（Full GC）：收集整个 Java 堆和方法区的垃圾, stop world.

垃圾回收机制比较复杂、堆内存分配推荐看视频JAVA虚拟机和垃圾回收机制大讲解 和 垃圾回收机制。

堆内存的survivor区-jvm调优减少full gc

full gc stop world的目的是防止用户线程结束，gc的内存无效导致繁琐的重复gc.

gc类型

gc的一个例子：当对象大小超过servivor的50%,直接进入老年代。

gc gc的例子

八、方法区

关系图

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，理解运行时常量池的话，我们先来说说字节码文件（Class 文件）中的常量池（常量池表）

常量池：一个有效的字节码文件中除了包含类的版本信息、字段、方法以及接口等描述信息外，还包含一项信息那就是常量池表（Constant Pool Table），包含各种字面量和对类型、域和方法的符号引用。

为什么需要常量池？

答：一个 java 源文件中的类、接口，编译后产生一个字节码文件。而 Java 中的字节码需要数据支持，通常这种数据会很大以至于不能直接存到字节码里，换另一种方式，可以存到常量池，这个字节码包含了指向常量池的引用。在动态链接的时候用到的就是运行时常量池。

运行时常量池

在加载类和结构到虚拟机后，就会创建对应的运行时常量池

常量池表（Constant Pool Table）是 Class 文件的一部分，用于存储编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中

JVM 为每个已加载的类型（类或接口）都维护一个常量池。池中的数据项像数组项一样，是通过索引访问的

运行时常量池中包含各种不同的常量，包括编译器就已经明确的数值字面量，也包括到运行期解析后才能够获得的方法或字段引用。此时不再是常量池中的符号地址了，这里换为真实地址

运行时常量池，相对于 Class 文件常量池的另一个重要特征是：动态性，Java 语言并不要求常量一定只有编译期间才能产生，运行期间也可以将新的常量放入池中，String 类的 intern() 方法就是这样的

当创建类或接口的运行时常量池时，如果构造运行时常量池所需的内存空间超过了方法区所能提供的最大值，则 JVM 会抛出 OutOfMemoryError 异常

参考文档：

虚拟机讲解

https://docs.oracle.com/en/java/javase/14/

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se14/html/jvms-2.html

The Structure of the Java Virtual Machine