Java虚拟机探究(二)—运行时数据区域

本文由作者通过《深入理解Java虚拟机》总结而来
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概览

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域,这些区域都有各自的用途，以及创建及销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有的区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁.在 Java7 中，Java虚拟机所管理的内存包括下图所示的几个运行时数据区域

在 Java8 中，内存结构发生了些许变化。最主要的还是移除了方法区，确定了“元数据区”的概念。如下图

方法区（Method Area）

这里，我们不按照《深入理解JAVA虚拟机》里的顺序来介绍，而是先介绍方法区，并试着分析一下它为什么被抛弃。

概念

方法区（Method Area）是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息：

非静态的属性
非静态的方法的元数据
运行时常量池
方法和构造函数编译后的代码
类加载初始化或者实例对象初始化用到的特殊方法

虽然 Java虚拟机规范把方法区描述为堆的逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-堆(非堆）,目的应该是与 Java堆区分开来

经常会听到有人把方法区叫做永久代（Permanent Generation）。这是因为在 HotSpot（目前使用最广泛的虚拟机）中选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区（其他虚拟机并没有这样实现，所以也就没有永久代这一说法），实际上两者并不等价。将GC分代扩展至方法区后，HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java堆一样去管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。乍一看，方法区貌似是个好东西。但是需要注意的是，在 Java8 已经取消了方法区这个概念，而是用元数据区来接管方法区的一些工作。

在方法区内，所有线程共享，生命周期与JVM一致，无需地址连续的内存。

上文中说过常量池等一些类信息被存储在方法区内，但是这样有很多坏处: 容易造成内存溢出；也会产生性能问题. 因为每次Full GC 都会连带永久代一起GC。而且类及方法的信息难以确定其大小。如果加载比较多的类很有可能造成内存溢出。而如果为方法区指定较大的内存的话，势必会压缩老年代内存空间，又容易造成老年代的溢出

Java8 改动

在 Java8 中，方法区被移除，类的元数据被放在 native 堆中(点此查看通知邮件)这个空间被叫做元数据区.而字符串常量被移动到了 Java堆 中;

元空间的特点

充分利用了 Java 语言规范中的好处：类及相关的元数据的生命周期与类加载器的一致。
每个加载器有专门的存储空间
只进行线性分配
不会单独回收某个类
省掉了 GC 扫描及压缩的时间
元空间里的对象的位置是固定的
如果 GC 发现某个类加载器不再存活了，会把相关的空间整个回收掉

元空间的内存分配模型

绝大多数的类元数据的空间都从本地内存中分配
用来描述类元数据的类也被删除了
分元数据分配了多个虚拟内存空间
给每个类加载器分配一个内存块的列表。块的大小取决于类加载器的类型；sun / 反射 / 代理对应的类加载器的块会小一些
归还内存块，释放内存块列表
一旦元空间的数据被清空了，虚拟内存的空间会被回收掉
减少碎片的策略

以下部分参考自java-latte.blogspot

我们可以通过下面这张图片看到如何为元数据分配虚拟内存空间，以及如何为每个类加载器加载虚拟存储空间。CL 是 Class Loader 的缩写

你可以看到虚拟内存空间是如何分配的 (vs1,vs2,vs3) ，以及类加载器的内存块是如何分配的。CL 是 Class Loader 的缩写。

理解_mark和_klass指针

要想理解上面这张图，首先得搞清楚这些指针都是什么东西。

JVM 中，每个对象都有一个指向它自身类的指针，不过这个指针只是指向具体的实现类，而不是接口或者抽象类。

32 位的 JVM:
- _mark : 4 字节常量
- _klass: 指向类的 4 字节指针对象的内存布局中的第二个字段 (_klass，在 32 位 JVM 中，相对对象在内存中的位置的偏移量是 4，64 位的是 8) 指向的是内存中对象的类定义。
64 位的 JVM：
- _mark : 8 字节常量
- _klass: 指向类的 8 字节的指针
开启了指针压缩的 64 位 JVM：
- _mark : 8 字节常量
- _klass: 指向类的 4 字节的指针

只有是 64 位平台上启用了类指针压缩才会存在类指针压缩空间（Compressed Class Pointer Space）。对于 64 位平台，为了压缩 JVM 对象中的_klass 指针的大小，引入了类指针压缩空间（Compressed Class Pointer Space）。

压缩后内存布局如下:

改动后的优势

如果你理解了元空间的概念，很容易发现 GC 的性能得到了提升。

Full GC 中，元数据指向元数据的那些指针都不用再扫描了。很多复杂的元数据扫描的代码（尤其是 CMS 里面的那些）都删除了。
元空间只有少量的指针指向 Java 堆。这包括：类的元数据中指向 java/lang/Class 实例的指针；数组类的元数据中，指向 java/lang/Class 集合的指针。
没有元数据压缩的开销
减少了根对象的扫描（不再扫描虚拟机里面的已加载类的字典以及其它的内部哈希表）
减少了 Full GC 的时间
G1 回收器中，并发标记阶段完成后可以进行类的卸载
Hotspot 中的元数据现在存储到了元空间里。mmap 中的内存块的生命周期与类加载器的一致。
类指针压缩空间（Compressed class pointer space）目前仍然是固定大小的，但它的空间较大
可以进行参数的调优，不过这不是必需的。
未来可能会增加其它的优化及新特性。比如，应用程序类数据共享；新生代 GC 优化，G1 回收器进行类的回收；减少元数据的大小，以及 JVM 内部对象的内存占用量。

因为上面的种种理由，最终在Java8中，元数据区替换掉了方法区

堆(Java Heap)

说完了非堆(前面有提到过方法区又名为Non-Heap(非堆）)，接下来就说一下堆吧.

对于大多数应用来说,Java 堆是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块.对于大多数刚刚创建的Java应用来说,如果觉得运行卡顿,第一想到的可能是提高-Xmx和-Xms的数值，这个在网上一些关于IDEA卡顿的文章里也有这个建议(IDEA本身就是使用Java构建的)

Java 堆在虚拟机启动时创建，这块区域唯一的目的就是存放对象实例(包括字符串常量也在这里面). 几乎所有的对象实例都要在这里分配内存。在Java虚拟机规范中的描述是: 所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。当然有时候为了调优和减少GC次数，程序员会选择在栈上分配对象实例，或者是进行标量替换。当然这里并不会详细分析这些策略，今后可能会试着分析一下这些方法。

在Java 堆中，可大致分为新生代和老年代。其中又可细分为Eden，From Survivor，To Survivor等. 其具体的从属和大小关系如下图所示

其中Form和To之间是动态切换的，以后我会单独写一下堆内存的分配、回收策略

程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器是当前线程正在执行的字节码的地址。程序计数器是线程隔离的，每一个线程在工作的时候都有一个独立的计数器。

在Java虚拟机中，多线程是靠CPU时间片轮转来调度的,也就是说一个线程可能还没有结束就被挂起。而当它再次获取时间片时，就需要从挂起的地方继续执行。在Java虚拟机中，通过程序计数器来记录程序的字节码执行位置。因为记录的信息很少，所以程序计数器占用的内存空间几乎可以忽略不计。而且程序计数器是java虚拟机规范中唯一一个没有规定任何OutofMemeryError的区域

Java虚拟机栈（Java stack）

如果把方法类比为C++中的函数的话，就会发现栈的作用几乎一样。在Java中，每个方法在运行的同时会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。其中，局部变量表存放了基本数据类型，对象引用类型（只是引用，不是对象本身。可类比C++中的指针）

栈和程序计数器一样，也是线程隔离的。

本地方法栈(Native Method Stack)

本地方法栈和虚拟机栈的区别在与虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中堆本地方法栈

Native方法

要了解Native方法，我们首先需要知道JNI这个概念

JNI允许程序员用其他编程语言来解决用纯粹的Java代码不好处理的情况，例如，Java标准库不支持的平台相关功能或者程序库。也用于改造已存在的用其它语言写的程序，供Java程序调用。许多基于JNI的标准库提供了很多功能给程序员使用，例如文件I/O、音频相关的功能。当然，也有各种高性能的程序，以及平台相关的API实现，允许所有Java应用程序安全并且平台独立地使用这些功能。

native关键字

被native关键字声明的方法说明该方法不是以Java语言实现的，而是以本地语言实现的。这也就是我们上面所说的Native方法本地方法和其它方法不一样，本地方法意味着和平台有关，因此使用了native的程序可移植性都不太高。另外native方法在JVM中运行时数据区也和其它方法不一样，它有专门的本地方法栈。native方法主要用于加载文件和动态链接库，由于Java语言无法访问操作系统底层信息（比如：底层硬件设备等），这时候就需要借助C语言来完成了。被native修饰的方法可以被C语言重写。

堆外内存也是通过Native函数库分配的