微信公衆號：[老張聊天]
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風趣幽默的段子手，總結編程專業知識。
希望能用通俗易懂的語言，給小夥伴帶來收穫~
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一、開篇說明
老張最近在看多線程、鎖的源碼，但是在學習源碼過程中，發現需要對Java虛擬機，以及JMM等有一個全面的理解，能更快的吸收源碼中的知識。所以先更新Java虛擬機專欄內容。
之前沒有接觸過的小夥伴也不用怕不用慫，其實這部分知識，大部分還是理論。推薦先看一遍視頻學習，對整體有印象和概念後，再來看書補充細節，多自己畫圖記憶。最後像老張一樣，把學到的知識點鞏固一下，整理成博客，最後按照自己的思路、自己的話能讓別人聽懂，就證明對這部分知識理解透徹了。
視頻可以在B站搜索查看，有很多免費教程。
大家都知道Java程序可以轉爲字節碼在Java虛擬機上運行，但是Java虛擬機有HotSpot，OpenJDK等等，一套字節碼可以在多套虛擬機上運行，就是因爲虛擬機受到《Java虛擬機規範》約束。《Java虛擬機規範》相當於API，而不同的Java虛擬機實現相當於Impl。
除了Java語言，Scala語言等也可以在Java虛擬機上運行，不同的語言都可以編譯成字節碼。Java受到《Java語言規範》的約束，規定如何聲明類，創建方法等等。同理Scala語言也有《Scala語言規範》。
Java編譯器同時受到《Java虛擬機規範》與《Java語言規範》的約束。
以下大部分內容基於周志明的《深入理解Java虛擬機 第三版》，第三版相比前面更新了很多知識點。pdf版本已經上傳到網盤，微信掃碼關注獲取網盤地址和提取碼
二、運行時數據區
根據《Java虛擬機規範》的規定，Java虛擬機所管理的內存將會包括以下幾個運行時數據區域，如下圖所示：
2.1 先記憶此圖【運行時數據區】3分鐘
直到可以自己將此圖畫出爲止，在線畫圖可以藉助ProcessOn。
背誦：
運行時數據區分爲所有線程共享區域、線程隔離（也叫線程獨佔）的區域兩部分。
共享區域分爲方法區和堆（1.8中稱爲元數據，後面詳細解釋）。
線程隔離（也叫獨佔）區域，包括虛擬機棧，本地方法棧，程序計數器。（2棧1計數）
運行時數據區，關聯執行引擎，本地庫接口，本地庫接口關聯本地方法庫。
2.2 運行時數據區概念理解
Java虛擬機在實行Java程序的過程中，會把它所管理的內存劃分爲若干個不同的數據區域。有些區域是隨着虛擬機進程啓動而存在，有些是依賴用戶線程來建立和銷燬。
這裏大家可以思考下，常說的垃圾回收主要是在哪片內存區域呢？
2.3 程序計數器
英文要知道Program Counter Register 。
由於Java虛擬機的多線程，是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的。一核的處理器只會執行一條線程中的指令。
那如果這次處理器分配時間太短，線程指令還未結束完，那等處理器第二次執行時，就需要知道第一次執行到哪裏纔行。
程序計數器，是一塊比較小的內存空間，可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器，保證線程切換後可以繼續執行。
**在Java虛擬機的概念模型裏，字節碼解釋器工作時，就是通過改變計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令。
每一個線程都會有自己的程序計數器，大家互不干擾。所以程序計數器，是在線程獨佔（線程隔離）區域
- 如果線程執行的是Java方法，則程序計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；
- 如果線程執行的是Native方法，則程序計數器值爲Undefined；
- 程序計數器所在內存區域，是個在Java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError的區域。
2.4 Java虛擬機棧
Java Virtual Machine Stacks
- 線程私有的，生命週期與線程相同。
- 描述了Java方法執行的內存模型：每個方法被執行的時候，會創建一個棧幀，用於存儲局部變量表，操作數棧，動態鏈接，方法出口等信息。
- 每個方法被調用直至執行完成，就對應一個棧幀在虛擬機棧從入棧到出棧的過程。
- 之前書本上的堆棧，“棧”就是對應的Java虛擬機棧中的局部變量表部分。
- 局部變量表存放了編譯期可知的各種Java虛擬機基本數據類型，對象引用，和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址）。這些數據類型在局部變量表中存儲空間以局部變量槽（Slot）來表示，其中64位長度的long和double類型的數據佔用2個局部變量槽，其餘數據類型佔用1個。
- 局部變量表所需的內存空間，編譯期間完成分配，方法運行時不會改變局部變量表的大小。這裏的大小指的是槽的數量，至於每個槽佔用多少個bit，是虛擬機來決定的。
- Java虛擬規範中，對這個區域規定了兩種異常情況：
a、如果線程請求的棧深入大於虛擬機所允許的深度，則會拋出StackOverflowError異常。
b、如果虛擬機棧可以動態擴展，當擴展到無法申請足夠的內存時，會拋出OutOfMemoryError異常。
注意：Java虛擬機棧也會出現OutOfMemoryError異常
2.5 本地方法棧
Native Method Stacks
- 與虛擬機棧作用相似，虛擬機棧爲執行Java方法服務，本地方法棧爲虛擬機使用的Native方法服務。
- 本地方法棧也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
2.6 Java堆
Java Heap
- 是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊，被所有線程共享的一塊內存區域。幾乎所有的對象實例都在這裏分配內存。
- 虛擬機啓動時創建，唯一目的就是存放對象實例。
- Java堆是垃圾回收管理的主要區域。
- 不少資料中寫着Java虛擬機的堆內存分爲新生代，老年代，永久代，Eden，Survivor，十年前（以G1收集器的出現爲分界），HotSpot虛擬機內部的垃圾收集器全部基於“經典分代”來設計，需要新生代、老年代收集器搭配才能工作。這種說法還時不會產生太多歧義，但是到了今天，HostSpot裏也出現了不採用分代設計的垃圾收集器，再按照這個說法就很多需要商榷的地方。
- Java堆可以是物理上不連續的內存空間，只要邏輯連續就可以。
- -Xmx最大值 -Xms最小值
2.7 方法區
Method Area
- 與Java堆一樣，是各個線程的共享區域。
- 用於存儲已經被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據。
- 還有一個別名叫Non-Heap（非堆），目的是與Java堆區分開來。
- 永久代（Permanent Generation） 並不等價於方法區，永久代是方法區實現的一種方式。僅僅是因爲HotSpot虛擬機的設計團隊，把GC分代收集擴展到了方法區，對於其他虛擬機是不存在永久代的概念的。
- 永久代實現方法區容易導致內存溢出問題-XX:MaxPermSize上限，即使不設置也有默認值。JDK8中，完全廢棄了永久代的概念，改爲在本地內存中實現的元空間（Meta-space）來替代。
- Java虛擬機規範，對這個區域限制非常寬鬆。不僅不需要連續的內存，還可以選擇部不實現垃圾回收。
- 垃圾回收在這個區域很少存在，但是並不意味真的永久存在了。這個區域主要針對常量池的回收和對類型的卸載。
- 當方法區無法滿足內存分配需求，將拋出OutOfMemoryError異常。
2.8 運行時常量池
Runtime Constant Pool
- 運行時常量池是方法區的一部分。用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用。這部分內容將在類加載後存放到方法區的常量池中。
- 字面量和符號引用等後面會詳細介紹。
- 運行時常量池，對於Class文件常量池，最重要特徵是具備動態性，運行期間也可能將新的常量放入池中。例如String類的intern()方法，具體可以參考博客：https://blog.csdn.net/tyyking/article/details/82496901
- 常量池無法再申請到內存時也會拋出OutOfMemoryError異常。
2.9 直接內存
Direct Memory
- 並不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規範中定義的內存區域。
- 頻繁使用，也可能導致OutOfMemoryError異常。
- JDK1.4新增了NIO類，引入基於通道與緩衝區的I/O方式，它可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然後通過一個存儲在Java堆裏面的DirectByteBuffer對象作爲這塊內存的引用進行操作。
- 在一些場景顯著提高性能，避免了再Java堆和Native堆中來回複製數據。
- 要避免配置虛擬機參數時，會根據實際內存設置-Xmx等參數，忽略了直接內存，使得各個區域的內存綜合大於物理內存限制和操作系統限制，從而導致動態擴展出現OOM。
三、階段總結
本篇博客名詞，理論部分比較多。
初學需要大家強化記憶，後面等學完所有的虛擬機相關知識後，這些概念纔會深入理解。
現在我們回憶一下，Java虛擬機運行時數據區有哪些組成部分？並分別用一句話重點概括：
- Java虛擬機運行時數據區，分爲線程共享區域，線程獨佔區域。
- 線程共享區域有方法區，和堆。（1.8稱爲元數據）
- 線程獨佔區域有Java虛擬機棧，本地方法棧，程序計數器。
- 執行引擎關聯本地庫接口，本地庫接口關聯本地方法庫。
博客內容大部分來自《深入學習Java虛擬機 第三版》一書。
下一篇博客，我們會介紹對象再HostSpot虛擬機中如何創建，佈局訪問的，謝謝大家。
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