JVM學習（一）——Java內存區域及詳解

運行時數據區域

Java 虛擬機在執行 Java 程序的過程中會把它管理的內存劃分成若干個不同的數據區域。
JDK 1.8 之前：

JDK 1.8 ：

線程私有的：

• 程序計數器
• 虛擬機棧
• 本地方法棧

線程共享的：

• 堆
• 方法區
• 直接內存 (非運行時數據區的一部分)

1、程序計數器

程序計數器是一塊較小的內存空間，可以看作是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。字節碼解釋器工作時通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等功能都需要依賴這個計數器來完。

另外，爲了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數器，各線程之間計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內存區域爲“線程私有”的內存。

從上面的介紹中我們知道程序計數器主要有兩個作用：

1. 字節碼解釋器通過改變程序計數器來依次讀取指令，從而實現代碼的流程控制，如：順序執行、選擇、循環、異常處理。
2. 在多線程的情況下，程序計數器用於記錄當前線程執行的位置，從而當線程被切換回來的時候能夠知道該線程上次運行到哪兒了。

注意：程序計數器是唯一一個不會出現 OutOfMemoryError 的內存區域，它的生命週期隨着線程的創建而創建，隨着線程的結束而死亡。

2、Java 虛擬機棧

Java 虛擬機棧也是線程私有的，它的生命週期和線程相同，描述的是 Java 方法執行的內存模型，每次方法調用的數據都是通過棧傳遞的。

Java 內存可以粗糙的區分爲堆內存（Heap）和棧內存 (Stack)，其中棧就是現在說的虛擬機棧，或者說是虛擬機棧中局部變量表部分。
實際上，Java 虛擬機棧是由一個個棧幀組成，而每個棧幀中都擁有：
局部變量表(單位是32位)、操作數棧、動態鏈接（反射，多態）、方法出口信息。

局部變量表主要存放了編譯器可知的各種數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用。

Java 虛擬機棧會出現兩種異常：
StackOverFlowError： 若Java 虛擬機棧的內存大小不允許動態擴展，那麼當線程請求棧的深度超過當前 Java 虛擬機棧的最大深度的時候，就拋出 StackOverFlowError 異常。
OutOfMemoryError： 若 Java 虛擬機棧的內存大小允許動態擴展，且當線程請求棧時內存用完了，無法再動態擴展了，此時拋出 OutOfMemoryError 異常。

那麼方法/函數如何調用？
Java 棧可用類比數據結構中棧，Java 棧中保存的主要內容是棧幀，每一次函數調用都會有一個對應的棧幀被壓入 Java 棧，每一個函數調用結束後，都會有一個棧幀被彈出。
Java 方法有兩種返回方式：

• return 語句。
• 拋出異常。

3、本地方法棧

和虛擬機棧所發揮的作用非常相似，區別是：
虛擬機棧爲虛擬機執行 Java 方法 （也就是字節碼）服務，而本地方法棧則爲虛擬機使用到的 Native 方法服務。
在 HotSpot 虛擬機中和 Java 虛擬機棧合二爲一。

4、堆

Java 虛擬機所管理的內存中最大的一塊，Java 堆是所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啓動時創建。
此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例以及數組都在這裏分配內存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此也被稱作GC 堆（Garbage Collected Heap）

從垃圾回收的角度：由於現在收集器基本都採用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆還可以細分爲：
新生代和老年代：再細緻一點有：Eden 空間、From Survivor、To Survivor 空間等。進一步劃分的目的是更好地回收內存，或者更快地分配內存。

新生代： eden 區、s0 區、s1 區
老年代：tentired 區

1. 大部分情況，對象都會首先在 Eden 區域分配，在一次新生代垃圾回收後，
2. 如果對象還存活，則會進入 s0 或者 s1，並且對象的年齡還會加 1(Eden 區->Survivor 區後對象的初始年齡變爲 1)，
3. 當它的年齡增加到一定程度（默認爲 15 歲），就會被晉升到老年代中。對象晉升到老年代的年齡閾值，可以通過參數 -XX:MaxTenuringThreshold 來設置。

5、方法區

方法區與 Java 堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已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。雖然 Java 虛擬機規範把方法區描述爲堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做 Non-Heap（非堆），目的應該是與 Java 堆區分開來。方法區也被稱爲永久代。

方法區和永久代的關係
《Java 虛擬機規範》只是規定了有方法區這麼個概念和它的作用，並沒有規定如何去實現它。那麼，在不同的 JVM 上方法區的實現肯定是不同的了。 方法區和永久代的關係很像 Java 中接口和類的關係，類實現了接口，而永久代就是 HotSpot 虛擬機對虛擬機規範中方法區的一種實現方式。 也就是說，永久代是 HotSpot 的概念，方法區是 Java 虛擬機規範中的定義，是一種規範，而永久代是一種實現，一個是標準一個是實現，其他的虛擬機實現並沒有永久帶這一說法。

JDK 1.8 的時候，方法區（HotSpot 的永久代）被徹底移除了（JDK1.7 就已經開始了），取而代之是元空間，元空間使用的是直接內存。

爲什麼要將永久代 (PermGen) 替換爲元空間 (MetaSpace) 呢?
整個永久代有一個 JVM 本身設置固定大小上線，無法進行調整，而元空間使用的是直接內存，受本機可用內存的限制，並且永遠不會得到 java.lang.OutOfMemoryError。

6、運行時常量池

運行時常量池是方法區的一部分。Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有常量池信息（用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用）。既然運行時常量池時方法區的一部分，自然受到方法區內存的限制，當常量池無法再申請到內存時會拋出 OutOfMemoryError 異常。

JDK1.7 及之後版本的 JVM 已經將運行時常量池從方法區中移了出來，在 Java 堆（Heap）中開闢了一塊區域存放運行時常量池。

8 種基本類型的包裝類和常量池

• Java 基本類型的包裝類的大部分都實現了常量池技術，即 （Byte,Short, Integer,Long,Character,Boolean）。這 5 種包裝類默認創建了數值[-128，127] 的相應類型的緩存數據，但是超出此範圍仍然會去創建新的對象。
• 兩種浮點數類型的包裝類 Float,Double 並沒有實現常量池技術。

		Integer i1 = 33;
        Integer i2 = 33;
        System.out.println(i1 == i2);// 輸出 true
        Integer i11 = 333;
        Integer i22 = 333;
        System.out.println(i11 == i22);// 輸出 false
        Double i3 = 1.2;
        Double i4 = 1.2;
        System.out.println(i3 == i4);// 輸出 false

Integer 緩存源代碼：

	/**
	* 此方法將始終緩存-128 到 127（包括端點）範圍內的值，並可以緩存此範圍之外的其他值。
	*/
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

應用場景：

1. Integer i1=40；Java 在編譯的時候會直接將代碼封裝成 Integer i1=Integer.valueOf(40);，從而使用常量池中的對象。
2. Integer i1 = new Integer(40);這種情況下會創建新的對象。

  Integer i1 = 40;
  Integer i2 = new Integer(40);
  System.out.println(i1==i2);//輸出 false

例如：

  Integer i1 = 40;
  Integer i2 = 40;
  Integer i3 = 0;
  Integer i4 = new Integer(40);
  Integer i5 = new Integer(40);
  Integer i6 = new Integer(0);

  System.out.println("i1=i2   " + (i1 == i2));	// true
  System.out.println("i1=i2+i3   " + (i1 == i2 + i3));	// true
  System.out.println("i1=i4   " + (i1 == i4));	// false
  System.out.println("i4=i5   " + (i4 == i5));	// false
  System.out.println("i4=i5+i6   " + (i4 == i5 + i6));   // true
  System.out.println("40=i5+i6   " + (40 == i5 + i6));   // true

語句 i4 == i5 + i6，因爲+這個操作符不適用於 Integer 對象，首先 i5 和 i6 進行自動拆箱操作，進行數值相加，即 i4 == 40。然後 Integer 對象無法與數值進行直接比較，所以 i4 自動拆箱轉爲 int 值 40，最終這條語句轉爲 40 == 40 進行數值比較。