JVM之运行时数据区

Java虚拟机在运行时管理的内存区域被称为运行时数据区。

程序计数器：也叫pc寄存器，每个线程会通过程序计数器记录当前要执行的字节码指令的地址。程序计数器在运行时是不会发生内存溢出的，因为每个线程只存储一个固定长度的内存地址。

JAVA虚拟机栈：采用栈的数据结构来管理方法调用中的基本数据，先进后出，每一个方法的调用使用一个栈帧来保存。JAVA虚拟机栈随着线程的创建而创建，而回收则会在线程的销毁时进行。由于方法可能会在不同线程中进行，每个线程都会包含一个自己的虚拟机栈。

栈帧的组成：

1、局部变量表：是在运行过程中存放所有的局部变量。栈帧中的局部变量表是一个数组，数组中每一个位置称之为槽，long和double类型占2个槽，其他类型占用1个槽。实例方法中的序号为0的位置存放的是this，指的是当前调用方法的对象，运行时会在内存中存对实例对象的地址。

2、操作数栈：是栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放临时数据的一块区域。

3、帧数据：主要包含动态链接、方法出口、异常表的引用。当前类的字节码指令引用了其他类的属性或方法时，需要将符号引用转换成对应的运行时常量池中的内存地址。动态链接就保存了编号到运行时常量池的内存地址的映射关系。

方法出口是指在方法正确或异常结束时，当前栈帧会被弹出，同时程序计数器应该指向上一个栈帧中的下一条指令的地址。所以当前栈帧中需要存储此方法出口的地址。

异常表存放的是代码中异常的处理信息，包含了异常捕捉的生效范围以及异常发生后跳转到的字节码指令位置。

如果栈帧过多，占用内存超过栈内存可以分配的最大大小就会出现内存溢出。如果我们不指定栈的大小，jvm将创建一个具有默认大小的栈。大小取决于操作系统和计算机的体系结构。可以使用虚拟机参数 -Xss设置java虚拟机栈的大小。单位为字节（默认为字节，必须是1024的倍数）、k或kb、m或mb、g或gb格式： -Xss1024k 与-Xss类似，也可以使用-XX：ThreadStackSize调整标准来配置堆栈大小。格式：-XX：ThreadStackSize=1024 。 hotshot虚拟机对栈的内存要求有最大最小限制。Windows（64位）下jdk8测试最小值为180k，最大值为1024m。

本地方法栈：

JAVA虚拟机栈存储了JAVA方法调用时的栈帧，而本地方法栈存储的是c++编写的native本地方法的栈帧。在hotshot虚拟机中，JAVA虚拟机栈和本地方法栈实现上使用了同一个栈空间。

堆：

一般JAVA程序中堆内存是空间最大的一块内存区域。创建出来的对象都存在于堆上。

栈上的局部变量表中，可以存放堆上对象的引用。静态变量也可以存放堆对象的引用，通个静态变量就可以实现对象在线程之间的共享。堆内存大小有上限，会发生内存溢出。堆空间有3个需要关注的值：used total max。这3个值可以通过arthas的dashboard看到。

used：指的是当前已使用的堆内存。 total：是JAVA虚拟机已经分配的可用堆内存。

max是java虚拟机可以分配的最大堆内存。

测试代码：

package org.example.heap;

import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;

public class OverFlowError {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        ArrayList<Object> objects = new ArrayList<>();
        while (true){
            System.in.read();
            System.out.println("添加一次");
            objects.add(new byte[1024*1024]);
        }
    }
}

在arthas上通过 dashboard -n 1 命令输出一次面板信息

在中间的Memory栏就有 used total max usage GC这5栏信息。

也可以直接输入memory 命令，只查看Memory的信息。

随着堆中对象增多，used逐渐接近total的值。当total内存即将不足时，JAVA虚拟机会继续分配内存给堆，但total有上限，最大只能与max相等。并不是当used=max=total时，堆内存才会溢出。堆内存溢出判断条件比较复杂，在total快接近max时就会发生内存溢出，并不会相等。如果不设置虚拟机参数，max默认是系统内存的四分之一，total默认是系统内存的64分之一。在实际应用中一般都需要设置total和max的值。

要修改堆的大小，可以使用参数-Xmx（max最大值）和-Xms（初始的total）。单位：字节（默认，必须是1024的倍数）、k或kb、m或mb、g或gb。限制：Xmx必须大于2mb，Xms必须大于1mb。语法：-Xmx值 -Xms值

下面看个实例，通过虚拟机参数对上面的代码程序设置堆的使用限制： -Xmx200m -Xms200m

然后在次启动arthas（注意-Xmx不要设置的太小，否则都不够arthas启动的，arthas启动就会报错）查看memory面板

我们发现对应的max值并不是我们设置的200m，而是小于200m的192m。

为什么arthas中显示的heap堆大小小于咱们设置的大小呢？

arthas中的heap堆内存使用了JMX技术中内存获取方式，这种方式与垃圾回收器有关，计算的是可以分配对象的内存，而不是整个内存。

JAVA服务端程序开发时，建议将-Xmx和-Xms设置为相同的值，这样在程序启动后可使用的总内存就是最大内存，而无需向JAVA虚拟机再次申请，减少了申请并分配内存时间上的开销，同时也不会出现内存过剩之后的堆收缩的情况。

方法区：（是一个虚拟概念，每款JAVA虚拟机上都各不相同，jdk8之后的版本，将方法区存放在元空间中，元空间位于操作系统维护的直接内存中，独立于JAVA虚拟机内存之外）。默认情况下只要不超过操作系统承受的上限，可以一直分配，可以使用-XX：MaxMetaspaceSize=值将元空间最大大小进行限制（没有过高要求时，一般设为256m）。

方法区存放基础信息，线程共享，主要包括三部分内容：

1、类的元信息：保存了所有类的基本信息（元信息），一般称之为InstanceKlass对象，在类的加载阶段完成。

2、运行时常量池：保存了字节码文件中的常量池内容。通过编号查表方式找到常量，这种常量称为静态常量池。当常量池加载到内存中，可以通过内存地址快速定位到常量池中的内容，这种常量池称为运行时常量池。

3、字符串常量池：保存了字符串常量。存储在代码中定义的常量字符串内容。

jdk7以前（不包括7）字符串常量池是属于运行时常量池的一部分，他们存储的位置一致。后续做了调整，jdk7后将字符串常量池拿到了堆中。（逻辑上，字符串常量池存在在方法区，但从物理存储地址看，是存放在堆中）jdk7及以后，静态变量和字符串常量池都是存放在堆中的。

下面看个例子：

package org.example.method;

public class StringTable {
    public static void main(String[] args) {
        String a="1";
        String b="2";
        String c="12";
        String d=a+b;
        System.out.println(c==d);
        String e="1"+"2";
        System.out.println(c==e);
    }
}

执行结果是c==d为false，c位于方法区的字符串常量池中，d是创建了一个String对象，存放在了堆中。查看字节码文件可以看出在创建d时是用的new方法创建了一个对象，而c是定义了一个属性

c==e为true。e是直接引用的字符串常量池中的c的值。

下面我们在看个例子，先介绍一下string.inturn方法作用是可以手动的将字符串放入字符串常量池中。jdk7及以后，由于字符串常量池在堆上，所以intern方法会把第一次遇到的字符串的引用（存放在堆中的引用）放入字符串常量池。若字符串常量池中已经有该字符串就会返回常量池中的该字符串。

package org.example.method;

public class StringIntern {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个存放在堆中的对象
        String s1=new StringBuilder().append("think").append("123").toString();
        //s1.intern获取到的是字符串常量池中存放的对堆中的引用，所以为ture
        System.out.println(s1.intern()==s1);

        // 创建一个存放与于堆上的对象
        String s2=new StringBuilder().append("ja").append("va").toString();
        //由于在启动时就会在字符串常量池中放入“Java”
        //所以s2.intern获取到的是字符串常量池中存放的Java
        System.out.println(s2.intern()==s2);


    }
}

结果是s1的为true，s2的为false 。s1是因为字符串常量池中没有字符串“think123”，所以inturn方法返回的是对堆中该字符串对象的引用，也就是引用的堆中的s1对象。s2是因为程序启动时会自动的在字符串常量池中存放字符串“Java”，所以s2.inturn返回的是字符串常量池中的字符串，而s2是堆中的字符串对象。

直接内存：

直接内存并不在《JAVA虚拟机规范》中，所以不属于JAVA运行时的内存区域。在jdk1.4中引入了NIO机制，使用了直接内存，只要解决俩个问题：

1、JAVA堆中的对象如果不再使用要回收，回收时会影响对象的创建和使用。

2、IO操作，比如读取文件，需要先把文件直接读入直接内存（缓冲区）在把数据复制到JAVA堆中。现在直接放入直接内存即可，同时在JAVA堆中维护直接内存的引用，减少了数据复制的开销。直接内存的空间有上限，会发生内存溢出。如果需要手动调整直接内存的大小，可以使用 -XX：MaxDirectMemorySize=值单位k或K表示千字节，m或M表示兆字节，g或G表示千兆字节。默认不设置该参数时，jvm自动选择最大分配的大小。

元空间（也就是方法区）使用本机直接内存，不再位于java虚拟机内存中，不受堆的大小限制。