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。