[隐匿的学习笔记]JVM(2)运行时数据区

先来一张运行时数据区的图

概览

运行时数据区的内容的生命周期是不同的
有的是随着虚拟机的开始结束
有的是随着每个线程的开始结束而开始结束

线程独有：
PC寄存器（程序计数器）
虚拟机栈
本地方法栈线程共享:
堆
方法区

一个程序每有一个线程就有一组PC寄存器虚拟机栈本地方法栈
他们共用一个堆、方法区
正因为堆和方法区是共用的所以可能会发生线程安全问题等
而我们所谓的JVM调优几乎都是在堆上的优化
因为几乎95%的垃圾回收都在堆我们优化的主要也是这方面

PC寄存器

PC寄存器相对于其他组件来说是一个最轻量最简单的内容他是每个线程独有的负责记录线程执行的指针位置
之后由字节码解释器来PC寄存器中知道此线程执行到了哪里同时因为特别特别轻量所以PC寄存器是唯一一块没有没有规范任何oom的区域
CPU在切换时间片的过程中执行引擎需要准确的知道自己需要执行哪条指令

举个例子线程A和线程B同时执行线程A执行到第20行失去了时间片此时PC寄存器存储第21行的地址信息
等到线程A再次获得时间片的时候字节码解释器就可以直接在PC寄存器中继续执行程序也是因为每个线程的执行程度不同
所以最好的方法就是每个线程独立拥有自己的PC寄存器

虚拟机栈

以前刚学java的时候刻板的以为内存只有两部分栈和堆大概就是栈管运行堆管存储不过其实真正的内存模型比这个复杂得多
之前理解的这个栈就是虚拟机栈了虚拟机栈也是线程独有的每个线程创建的时候都有同时创建一个虚拟机栈这个栈中保存着一个一个
栈帧，对应着一个一个的java方法也就是你有多少个方法就有多少个栈帧

定义两个方法用一个线程去执行因为只有一个线程所以会创建一个虚拟机栈
一次次的方法调用就对应的一次次的栈帧入栈出栈

作用就是保证java程序的运行保存方法的局部变量(八种基本数据类型和引用对象的地址) 部分结果并参与方法的调用和返回

虚拟机栈是一种有效的分配存储方式访问速度仅次于PC寄存器 JVM对虚拟机栈的操作只有两个 —>每个方法执行伴随着方法入栈
—> 方法执行结束时方法出栈对于栈来说不存在垃圾回收问题 —>不存在GC
但是存在OOM 随便写个递归就栈溢出了-。-

虚拟机栈的异常内容

java虚拟机允许java栈的大小是固定值或者是动态的

如果是固定值当请求分配的栈容量超过了允许最大容量的时候就会抛出StackOverFlowError

如果是动态变化的在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存或者在创建新线程的时候没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈就会抛出OutOfMemoryError

调优

可以通过 -Xss [size] 来设置栈大小

栈中到底存储着什么

每个线程都有自己的虚拟机栈栈中的数据都是以栈帧的格式存在

这个线程上正在执行的所有方法都各自对应一个栈帧 (方法和栈帧是一一对应的) 一个方法执行栈帧就入栈方法结束栈帧就出栈

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

一条活动的线程中一个时间点上只会有一个活动的栈帧，只有栈顶栈帧(当前栈帧)就是当前执行的方法是有效的，这个方法就是当前方法，定义这个方法的就是当前类

执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作

不同栈帧不允许互相引用即不可能在一个栈帧中引用另一个线程的栈帧

java方法有两种返回函数的方式一种是正常的函数返回另一种是抛出异常不管哪种方式当前栈帧都将被弹出 —> 当某个栈帧抛出异常的时候如果没有处理会向上抛当前栈帧弹出然后下一个当前栈帧如果没捕获异常那么继续

一个栈帧可以由五部分组成

局部变量表
操作数栈
方法返回地址
动态链接
一些附加信息

局部变量表

局部变量表定义为一个数字数组,主要用于储存方法参数和定义在方法体内的局部变量，
这些数据包括基本数据类型和引用类型还有返回值地址
局部变量表中没有线程安全性问题
局部变量表的大小是在编译期间就确定下来的在运行期间不会更改局部变量表的大小
用javap -v XXX.class 之后可以在方法中的Code里面的Maximum local variables看到大小

方法嵌套的调用次数由栈的大小决定，一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。
局部变量表中的变量只在当前方法中有效虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束之后随着方法栈帧的销毁局部变量表也会随之销毁

局部变量表中的slot

局部变量表最基本的存储单元是Slot
32位以内的类型只占用一个Slot (包括returnAddress) ，64位的类型占用两个Slot
—> Byte short char 在存储前被转换成int boolean也被转换成int 0表示false 非0表示true
—>long 和double 占两个Slot
如果是非静态方法或者是构造方法 Slot槽的第一个(也就是第0个位置) this是第一个
引用类型占一个Slot

补充

在栈帧中与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表
在方法执行时虚拟机使用局部变量表完成方法的传递
局部变量表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

操作数栈在方法执行的过程当中根据字节码指令往栈中写入数据或提取数据即入栈/出栈
—>有些字节码指令是讲值压入操作数栈其余的字节码指令是将操作数取出栈使用之后再把结果压入栈
---->比如复制交换求和等
操作数栈主要用于保存计算过程的中间结果同时作为计算过程中变量临时的存储空间
操作数栈是随着方法调用(也就是随着栈帧被创建出来) 栈帧刚被创建出来的时候操作数栈也是空的
每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度所需的最大深度在编译期就已经确定好了保存在方法的Code属性中为max_stack的值
栈中的任何一个元素可以是任何类型的java数据类型同时 64位占两个栈深度 32位占一个
操作数栈不能使用索引访问只能用入栈出栈的形式
如果方法有返回值的话那返回值也会被压入当前栈帧的操作数栈中并更新PC寄存器中下一条需要执行的指令
其实我们平时说的栈和堆这个栈指的就是虚拟机栈中的操作数栈

栈顶缓存技术

HotSpot JVM设计者们提出栈顶缓存技术将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中
以此降低内存的读写次数提升执行引擎的效率

动态链接(指向运行时常量池的方法引用)

每一个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。
包含这个引用的目的就是为了支持当前方法能够实现动态链接
在JAVA源文件被编译到字节码文件中所有的变量和方法引用都作为副号引用，
保存在class文件的常量池里
比如：描述一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的
那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用

方法的调用

静态链接当一个字节码文件被装载到虚拟机的时候如果被调用的目标方法在编译器可知
且运行期间保持不变 ,这种情况符号引用转化为直接引用的过程称为静态链接
动态链接如果被调用的方法在编译期间无法被确定下来在运行期间才能确定下来这种情况为动态链接

---->举个例子动态链接(晚期绑定) 在代码中提现为接口或者基类调用方法

方法重写的本质

找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象实际类型记做C
如果在类型C中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法进行权限校验
如果通过则返回这个方法的直接引用查找过程结束如果不通过则抛出java.lang.IllegalAccessError异常
否则按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第二步的搜索和验证过程。
如果始终没有找到合适的方法则抛出 java.lang.AbstractMethodError异常

IllegalAccessError介绍:
程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法这个属性或方法，你没有访问权限。一般这个类会引起编译器异常这个错误如果发生在运行时就说明一个类发生了不兼容的改变

方法返回地址

存放调用该方法的PC寄存器的值
一个方法的结束有两种情况正常返回和出现未处理的异常
无论哪种方式退出调用者的pc计数器的值作为返回地址

正常和异常退出的区别就是   通过异常完成出口退出的不会给他上层的调用者产生任何的返回值

一些附加信息

其实需要知道栈帧中还有这么个东西就行了…

本地方法栈

什么是本地方法？
native method 就是本地方法  该方法的实现由非java语言实现 比如C

本地方法栈也是线程私有的
也允许被实现成固定或者是可动态扩展的大小
当调用本地方法时它就进入了一个全新的而且不受虚拟机限制的世界它和虚拟机拥有同样的权限
—>甚至可以直接使用本地的寄存器和本地内存
在HotSpot中直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一