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一、运行时数据区概述
架构图👇
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，这些线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁
线程独享：
- 程序计数器（PC寄存器）、栈、本地栈
线程共享：
- 堆、方法区（永久代或元空间）
二、程序计数器（PC寄存器）
简介：
- 1）它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不计。同时也是运行速度最快的存储区域
- 2）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保持一致
- 3）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。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址，或者，如果是在执行native方法，则是未指定值（undefined）
作用：
PC寄存器是用来存储指向下一条指令的地址，也就是即将要指向的指令代码。由执行引擎读取下一条指令
架构图如下👇
思考：PC寄存器为什么会被设定未线程私有？
我们都知道所谓的多线程，在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法，CPU会不停的切换任务，这样必然导致经常中断或恢复，那么如何保证分毫无差呢？
为了能够准确地记录各个线程正在执行地当前字节码地指令地址，就给每一个线程都分配了一个PC寄存器，这样每个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互干扰了情况
CPU时间片
CPU时间片即CPU分配给各个程序的时间，每个线程被分配一个时间段，称作它的时间片
在宏观上：我们可以同时打开多个应用程序，每个程序并行不悖，同时运行
但是在微观上：由于只有一个CPU，一次只能处理程序要求的一部分，如果公平处理，所以引入时间片，每个程序轮流执行
三、虚拟机栈
内存中的栈与堆
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
堆解决数据存储问题，即数据怎么放、放在哪儿
虚拟机栈
虚拟机栈简介及特点：
- 1）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，对应着一次次的Java方法调用
- 2）栈式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
- 3）JVM直接对Java栈的操作只有两个
- 每个方法执行，伴随着入栈/压栈
- 方法执行结束后的出栈
- 4）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是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧，与当前栈帧相对应的方法就是当前方法，定义这个方法的类就是当前类
- 5）执行引擎运行的所有字节码指令只对当前栈帧进行操作
- 6）如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧就会被创建出来，放在栈的顶端，成为新的当前栈帧
- 7）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之中引用另外一个线程的栈帧
- 8）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
生命周期：
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（8种基本数据类型、对象的引用地址）、部分结果，并参与方法的调用和返回
栈不存在垃圾回收问题
栈中可能出现的异常：
Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者固定不变的
- 1）如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的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了Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机会抛出一个
StackOverflowError异常 - 2）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时，Java虚拟机会抛出一个 OutOfMemoryError异常
设置栈内存大小：
我们可以使用参数 -Xss 选项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
栈中存储什么？
- 1）每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧的格式存在
- 2）在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧
- 3）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
栈帧的内部结构
每个栈帧中存储着：
- 1）局部变量表
- 2）操作数栈
- 3）动态链接
- 4）方法返回地址
- 5）附加信息
局部变量表
1）概述
- 局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表
- 局部变量表被定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用（reference），以及returnAddress类型
- 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
- 局部变量表所需的容量大小（slot大小）是在编译器确定下来的，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，方法嵌套调用的次数越多
- 局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。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
2）关于Slot
- 局部变量表最基本的存储单元是Slot（变量槽）
- 局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型（8种），引用类型地址，returnAddress类型的变量
- 在局部变量表里，32位以内的类型只占用一个slot（包括returnAddress类型），64位的类型（long、double）占用两个slot
- JVM会被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
- 当一个实例方法被调用时，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赋值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64位的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可（Long、Double）
- 如果当前栈帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用this将会放在index位0的slot上，其余的参数按照参数表顺序继续排列
3）Slot的重复利用
栈帧中的局部变量表中的slot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声明的新的局部变量就很可能会重复利用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的
示例👇：
4）总结
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回收
操作数栈
概述
- 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外，还包含一个后进先出的操作数栈
- 操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈和出栈
- 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
- 操作数栈是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行时，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈时空的
- 每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为max_stack的值
- 栈中的任何一个元素都可以是任意的Java数据类型
- 32位的类型占用一个栈单位深度
- 64位的类型占用两个栈单位深度
操作数栈虽然底层是由数组实现的，但并非采用访问索引的方式进行数据访问，而是通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问
动态链接（指向运行时常量池的方法引用）
概述
- 每一个栈帧内部都包含一个指向方法区中的运行时常量池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
- 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保存在class文件的常量池里
为什么需要常量池？
常量池的作用，就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别
方法的调用
在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关
- 静态链接：
- 当一个字节码文件被装载进JVM内部时，如果被调用的目标方法在编译器可知，且运行期保持不变。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接
- 动态链接：
- 如果被调用的方法在编译器无法被确定下来，也就是说，只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用，由于这种引用转换过程具备动态性，因此也被称之为动态链接
虚方法和非虚方法
- 非虚方法：如果方法在编译器就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时是不可变的，这样的方法称为非虚方法
- 静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法，其他方法成为虚方法
方法返回地址
概述
- 方法返回地址即存放调用该方法的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寄存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，栈帧中一般不会保存这部分信息
三、本地方法栈
什么是本地方法？
简答来讲，一个Native Method就是一个Java调用非Java代码地接口
一个Native Method是这样一个Java方法：该方法地实现由非Java语言实现
在定义一个Native Method时，并不提供实现体，因为其实现体是由非Java语言在外面实现地
本地接口地作用是融合不同地编程语言为Java所用
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