运行时数据区

概述

大致结构图：

详细内存划分图：

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，这些与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。

每个线程：独立包括程序计数器、栈、本地栈。
线程间共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存)

Runtime类：每个JVM只有一个Runtime实例。即为运行时环境，相当于内存结构的中间的那个框框:运行时环境。

程序计数器

JVM中的程序计数寄存器（Program counter Register)中， Register 的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。

这里，并非是广义上所指的物理寄存器，或许将其翻译为PC计数器（或指令计数器）会更加贴切(也称为程序钩子)，并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。

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。

作用：

PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址,也即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。

常见面试题：

使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢?/为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢?

因为CPU需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。
PC寄存器为什么会被设定为线程私有?

为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个Pc寄存器，这样一来各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互千扰的情况.。

虚拟机栈

背景

由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。

优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

概念

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine stack)，早期也叫lava栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧(stack Frame) ，对应着一次次的Java方法调用。

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、部分结果，并参与方法的调用和返回。

异常：

对于栈来说不存在垃圾回收问题，但是会有内存问题异常。

StackOverflowError异常：如果采用固定大小的栈，如果线程请求分配的校容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。

OutOfMemoryError异常：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中请到足够的内存，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,Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。

存储结构

栈的整体结构：

每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧（stack Frame）的格式存在。
在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧（Stack Frame) 。
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。

栈的内部结构：

局部变量表（Local variables)

定义为一个数字数组，基本的存储单元是Slot，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的。（对象的引用this会存在index为0的slot处）。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被回收。
操作数栈（operand stack)

一个后进先出的栈，实现方式是数组。
动态链接(Dynamic Linking)

指向运行时常量池的方法引用。（在Java源文件被编谨到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用(symbolic Reference）保存在class文件的常量池里。）
方法返回地址(Return Address）

存放调用该方法的pc寄存器的值。无论通过正常方式还是异常方式退出，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计数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。
一些附加信息

栈帧中还允许携带与Java虚拟机实现相关的一些附加信息。

动态链接+方法返回地址+附加信息=桢数据区

本地方法栈

Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。本地方法栈，同样也是线程私有的。

它的具体做法是Native Method stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库。

本地方法：

简单地讲，一个Native Method就是一个Java调用非Java代码的接口。一个Native Method是这样一个Java方法:该方法的实现由非Java语言实现，比如[c。这个特征并非Java所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如在C++中，你可以用extern “c”告知C++编译器去调用一个c的函数。

当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。

堆

概念

一个JVM实例只存在一个堆内存，堆也是Java内存管理的核心区域。

Java堆区在JVM启动的时候即被创建，其空间大小也就确定了。是JVM管理的最大一块内存空间。堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的。并且所有的线程共享Java堆，在这里还可以划分线程私有的缓冲区。

数组和对象可能永远不会存储在栈上，因为栈帧中保存引用，这个引用指向对象或者数组在堆中的位置。

堆是cc ( Garbage collection，垃圾收集器）执行垃圾回收的重点区域。在方法结束后，堆中的对象不会马上被移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。

可以用-Xms大小设置起始内存和-Xmx大小来设置堆的最大内存，-XX·:+PrintGCDetails 打印堆空间细节；

开发中建议将初始堆内存和最大的堆内存设置成相同的值。

内存结构

具体空间的细分主要分为Java7以前和Java8之后：其实不分代完全可以，分代的唯一理由就是优化GC性能。

Java 7及之前堆内存逻辑上分为三部分：新生区+养老区+永久区
Java 8及之后堆内存逻辑上分为三部分：新生区+养老区+元空间

在Java8之后只有新生区和养老区在堆空间里面，元空间移除到方法区中了。

新生区：有Eden、两块大小相同的survivor (又称为from/to，s0/s1)构成，to总为空。
养老区：存放新生代中经历多次Gc仍然存活的对象。

新生区和养老区默认比例为1:2。

结构变化：

TLAB：

从内存模型而不是垃圾收集的角度对Eden区域继续进行划分，JVM为每个线程分配了一个私有缓存区域,它包含在Eden空间内。

多线程同时分配内存时，使用TLAB可以避免一系列的非线程安全问题，同时还能够提升内存分配的吞吐量，因此我们可以将这种内存分配方式称之为快速分配策略。

尽管不是所有的对象实例都能够在TLAB中成功分配内存，但JVM确实是将TLAB作为内存分配的首选。一旦对象在TLAB空间分配内存失败时，JVM就会尝试着通过使用加锁机制确保数据操作的原子性，从而直接在Eden空间中分配内存。

对象分配过程

为新对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务，JVM的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里分配等问题，并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关，所以还需要考虑GC执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片。

过程：

new的对象先放伊甸园区。此区有大小限制。
当伊甸园的空间填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC)，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。再加载新的对象放到伊甸园区。
然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区。
如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到幸存者0区的，如果没有回收，就会放到幸存者1区。
如果再次经历垃圾回收，此时会重新放回幸存者0区，接着再去幸存者1区。
啥时候能去养老区呢?可以设置次数。默认是15次。

可以设置参数:-XX:MaxTenuringThreshold=进行设置

完整过程：

只有在新生区满了才会触发YGC/Minor GC，幸存者区满了不会，只是对新生区垃圾回收的同时会对幸存者区进行回收。

垃圾收集分类：

部分收集：

新生代收集(Minor GC / Young GC）:只是新生代的垃圾收集

老年代收集(Major GC/ old GC) :只是老年代的垃圾收集。

混合收集(Mixed GC):收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。

整堆收集（Full GC）：收集整个java堆和方法区的垃圾收集。

扩展问题

堆是分配对象存储的唯一选择吗?

随着JIT编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。

在Java虚拟机中，对象是在Java堆中分配内存的，这是一个普遍的常识。但是，有一种特殊情况，那就是如果经过逃逸分析(Escape Analysis)后发现，一个对象并没有逃逸出方法的话，那么就可能被优化成栈上分配。这样就无需在堆上分配内存，也无须进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。

逃逸分析的基本行为：分析对象动态作用域

当一个对象在方法中被定义后，对象只在方法内部使用，则认为没有发生逃逸。使用栈上分配。
当一个对象在方法中被定义后，它被外部方法所引用，则认为发生逃逸。例如作为调用参数传递到其他地方中。分配在堆中。

方法区

概念

方法区(Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。

方法区在JVM启动的时候被创建，并且它的实际的物理内存空间中和Java堆区一样都可以是不连续的。

方法区的大小，跟堆空间一样，可以选择固定大小或者可扩展。

方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出错误: java.lang. outofMemoryError: Metaspace，并且关闭JVM才会释放这个区域的内存。

方法区使用的是本地内存，可以使用-XX:MetaspaceSize大小设置元空间大小

内部结构

方法区用于存储已被虚拟机加载的类型信息、域信息、方法信息、运行时常量池、即时编译器（JIT）编译后的代码缓存。

JDK8方法区详细结构：

变化点：

字符串常量池移入堆中：

如果放在方法区中就会导致StringTable回收效率不高。而我们开发中会有大量的字符串被创建，回收效率低，导致内存不足。放到堆里，能及时回收内存。

静态变量移入堆中：静态变量的引用和实例都会放在堆中。

永久代替换为元空间：

因为永久代的大小难以控制，如果使用系统内存就可以在不超过系统要求下不受限；并且永久代的GC问题难以调优。

方法区的垃圾收集主要回收两部分内容:常量池中废弃的常量和不再使用的类型。

类型信息：

对每个加载的类型（类class、接口interface、枚举enum、注解annotation) ，JVM必须在方法区中存储以下类型信息：

这个类型的完整有效名称(全名=包名.类名)
这个类型直接父类的完整有效名(对于interface或是java.lang.object，都没有父类)
这个类型的修饰符(public,abstract,final的某个子集)
这个类型直接接口的一个有序列表

域信息：

JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序：

域名称、类型、修饰符

方法信息：

JVM必须保存所有方法的以下信息，同域信息一样包括声明顺序：

方法名称、返回类型、参数的数量和类型、修饰符
方法的字节码、操作数栈、局部变量表以及大小
异常表

运行时常量池：

一个有效的字节码文件中除了包含类的版本信息、字段、方法以及接口等描述信息外，还包含一项信息那就是常量池表(Constant Pool Table），包括各种字面量和对类型、域和方法的符号引用。这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中，并会将符号地址转换为真实的地址，并且相较于classs文件常量池具有动态性。

一个java源文件中的类、接口，编译后产生一个字节码文件。而Java中的字节码需要数据支持，通常这种数据会很大以至于不能直接存到字节码里，换另一种方式，可以存到常量池这个字节码包含了指向常量池的引用。

垃圾回收

一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻。但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。以前sun公司的Bug列表中，曾出现过的若干个严重的Bug就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

方法区的垃圾收集主要回收两部分内容:常量池中废弃的常量和不再使用的类型。

常量池：

Hotspot虚拟机对常量池的回收策略是很明确的，只要常量池中的常量没有被任何地方引用，就可以被回收。
类型回收：

判定一个常量是否“废弃”还是相对简单，而要判定一个类型是否属于“不再被使用的类”的条件就比较苛刻了。需要同时满足下面三个条件:
- 该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。
- 加载该类的类加载器已经被回收，这个条件除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景，如OSGi、JSP的重加载等，否则通常是很难达成的。
- 该类对应的java.lang.class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
Java虚拟机被允许对满足上述三个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“被允许”，而并不是和对象一样，没有引用了就必然会回收。