深入Java虚拟机之 --- JVM的爱恨情仇

(本文参考深入理解JAVA虚拟机第二版第2章)

系列文章：

深入Java虚拟机之 — JVM的爱恨情仇
JAVA 垃圾回收机制(一) — 对象回收与算法初识
JAVA 垃圾回收机制(二) — GC回收具体实现
深入Java虚拟机之 – 类文件结构(字节码)

一、认识Java环境

在讲 JVM 之前，先讲讲 JDK、JRE和 JVM 的关系，如下面这张图(图片来自百度图片)：

可以看到他们的包含关系是 JDK>JRE>JVM

JDK：jdk是支持 JAVA程序开发的最小环境，集成了JRE和一些工具包，如 javac，jar等；比如一个可运行jar，你就需要安装了jdk，才能运行起来
JRE：是Java运行时的标准环境，除了JVM的环境还有一些基本的JAVA库，比如界面的 swing、I/O等

JVM：熟称Java虚拟机，也叫运行时数据区域，是保证跨平台的基本，因为 jvm 只认识字节码，只要linux、window、mac 有jvm 都是可以编译执行的；

而这里，我们就需要讲解 JVM 这个运行时数据区域的分布了，如下图(图片来自百度图片，稍微修改了一点)：

上面解释了一个java程序是怎么运行的，其中内存空间这里，就是 JVM 了；

线程共享区：即程序运行时，数据在各个线程之间是共享的，比如某个方法，某个类，还有一些运行时常量
线程私有区：各个线程之间的数据是独立的，比如多线程的数据

为了方便解释，这里的顺序不会像上图那里的顺序来；

二、线程私有区

2.1、程序计数器

首先先了解程序计算器，线程(UI线程)中程序语句的执行都离不开它，对它的解释如下：

是一块较小的内存存于，可以看做当前线程执行字节码时的行号指示器
程序的运行，比如跳转、循环等指令，就是通过改变计数器的数值，来选取下一条需要执行的字节码指令
多线程时，每个线程的程序计算器都是独立的，相互不干扰，独立储存；即记录每次线程的位置，方便下次线程切换过来，知道上次线程的运行到哪了
op

2.2 虚拟机栈

结合方法去中的一些变量和常量去理解会比较好

虚拟机栈也是线程私有的，与线程的生命周期相同；它对应着线程的内存模式，每个方法在执行的时候，都有一个栈帧用于存储局部表，操作数栈、动态链接、方法出口等信息；每个方法的执行，都对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈，如下图(图片参考深入Java虚拟机第二版)

局部变量表：

存储了编译器存放着各种基本数据类型(boolean、byte、char等)
对象引用类型，这里的对象不是对象本身，可能是对象的寻址指针，也可能是句柄或者相关位置
returnAddress 类型，指向了一条字节码指令的地址 (现在已经很少有虚拟机用了)

当进入一个方法时，这些变量在帧中分配的内存大小时固定的，在运行时不会改变局部变量表的大小。针对这个区域，规定了两种异常情况

如果虚拟机不支持动态扩展，当线程请求的栈大小大于虚拟机规定的大小时，抛出 StackOverflowError
如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时，无法申请到足够的内存，抛出 OutOfMemoryError

操作数栈：
操作数栈，也可以称做操作栈，它可以是 Java 的任意类型，在数据提取时入栈和出栈，比如 int a = 1 + 2;它会先把 1,2 从栈中取出来，把它复制给 a 后，再把结果入栈。
动态连接：
这里需要先理解静态连接，比如类加载的解析步骤，是直接将符号引用转换为直接引用，称为静态解析；而动态连接，则是运行期间，把符号引用转换为直接引用。
可以这样理解符号引用：
比如有当前运行类D，D类中还有其他类的申明，比如C，但虚拟机只会加载当前类，所以C它会由一个符号引用来代替，当类在解析的时候，会把这个符号引用转换为直接引用，直接引用就是类C的指针地址；关于类加载，可以到深入Java虚拟机之 – 类加载机制细看。

方法返回地址：
每个方法运行结束，只有两种方法可以退出方式；一是正常返回数据，这种称为正常完成出口；二是遇到异常，也会导致退出，称为异常完成退出。
无论哪种退出，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续进行。

2.3 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈的作用非常相似；只不过虚拟机栈执行的是 java 的字节码服务，而本地方法栈执行的是 Native 方法服务；
本地方法栈同样会穿件栈帧，如局部变量表、操作栈等信息，同时也有 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常

三、线程共享区

3.1 Java 堆：

是Java虚拟机锁管理的内存中最大的一块，在虚拟机启动创建时，此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都是在这分配内存的；
Java 堆是内存回收的主要区域，也叫 GC 堆；根据规定，Java堆的物理地址可以是不连续的，只要保证逻辑上是连续的即可。由于Java 堆基本采用分代手机算法，所以也可以分为：新生代和老年代；再细致分，也可以分为 Eden空间，From Survivor 空间、To Surivivor 空间等涉及到的GC回收算法，具体可参考： JAVA 垃圾回收机制(一) — 对象回收与算法初识
JAVA 垃圾回收机制(二) — GC回收具体实现。

3.2 方法堆

方法堆也是线程共享的一个区域块，它用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区规定为 Java 堆的一个逻辑模块，但它还有一个方法，叫 Non-Heap (非堆) ，目的就是为了和 Java堆区分开来

3.2.1 运行时常量池

运行时常量池，其实算方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等信息外；还有一项信息就是常量池，用于存放编译期生成的字面量和字符引用，如下图：

四、直接内存

在JDK1.4中，新增加了一个 NIO（New Inout/Outinput）类，引入了一种基于通道(channel)与缓冲区（buffer）的I/O方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样在一些场景中能够显著提升技能，避免了数据再 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据，常见的通道类型有：

FileChannel：从文件中读写数据
DatagramChannel：从UDP中读写数据
SocketChannel：从TCP中读写数据
ServerSocketChannel：用来监听 websocket 的连接

具体案例可以查找NIO的具体案例
直接内存，不是虚拟机运行时内存区的一部分，也不是Java规范中定义的内存区域。但既然是内存，如果超过了 RAM 和 SWAP 寻址空间限制，还是会报OutOfMemoryError的。

五、对象创建过程

上面了解了 JVM 的一些知识之后，那么一个对象的创建是怎么样的呢？对象的创建，可以分为以下几个步骤

类加载

当虚拟机遇到一个 new 指令的时候，会先去检测这个指令的参数是否能定位到这个类的符号引用，并检查这个类是否被加载、解析或初始化过。如果没有，则执行类加载 (深入Java虚拟机之 – 类加载机制 )

内存分配

在类加载通过之后，虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，相当于从Java堆中抽取一块内存出来；而根据内存的是否绝对规整，分为 指针碰撞 和 空闲列表 两种分配方式：

指针碰撞：假设Java堆中的内存只绝对规整的，分为空闲和非空闲两种，中间用一个指针当做划分界限的指示器；当一个新对象需要分配对象时，相当于把指针向空闲区域移动一段与对象大小相等的距离
空闲列表：假设Java堆的内存不是绝对规整的，空闲和非空闲是相互交错的，那就需要一个OopMap列表，用来记录哪些内存块是可以用的，在对象分配内存时，划分一块大小相等的区域给对象，并更新这个列表

从上面的解释看，用哪种分配方式，是通过Java堆的内存块是否绝对规整决定的。

但对象的创建是频繁的，在并发的情况，多线程不一定是安全的，即存在A对象在分配内存，指针还未来得及修改，B对象也同时使用了原来的指针来分配对象。所以又衍生了两种解决办法，CAS+失败重试 和 TLAB两种方式

CAS+失败重试：虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性 (关于CAS锁，是乐观锁的一种实现，解释起来也比较麻烦，可以参考这里：https://www.cnblogs.com/javalyy/p/8882172.html)
TLAB：本地线程分配缓冲，把内存分配的动作按照线程分配划分在不同的空间中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，哪个线程需要需要分配，先在 TLAB 中分配，用完了并重新分配新的TLAB时，才需要同步锁定。

初始值为零

在内存分配完成之后，虚拟机需要将分配到的内存空间初始化为零值 (除对象头外)，这一步操作也保证了对象的实例字段在java代码中可以不赋初始值就可以使用，因为程序能访问这些字段的数据类型所对应的零值。

设置对象头

初始值设置之后，怎么知道对象是哪个类的实例，如何才能找到类的元数据信息、哈希码、GC分代年龄等信息呢？这就需要对对象头进行一些必要的设置，才能定位到，详细在5.2节介绍。

入栈，执行init指令：

从虚拟机来看，对象已经分配产生完成了，且入栈了；但 Java 程序来看，这才刚开始，所以，new 之后，则执行 init 方法，进行初始化。

5.2 对象的内存分布

上面讲解了对象在虚拟机的分配之后，再扩展一下，对象在内存中是怎么分配的呢，对象在内存中的存储布局可分为 3个部分：

对象头

其中，对象头可以再细分为两部分：

存储对象自身的运行时数据：如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的、偏向线程ID等信息
类型指针：即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个来确定这个对象是哪个类的实例

实例数据

是对象真正储存的有效信息，比如程序中定义的各种类型的字段内容，无论父类和子类都会记录下来；在分配时，相同宽度的字段会被分配到一起，这也是父类定义的变量会出现在子类之前的原因。

对齐填充

没啥实际意义，只是为了保证对象是8字节的整数倍，没对齐时，用来补全而已。

5.3 对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，Java 程序需要通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象；但这些访问方式取决于虚拟机实现而定，目前主流有句柄和直接指针两种:

句柄：从Java 堆中划分出一块内存用来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息，如下图(图片来自Java虚拟机第三版)
直接指针：在直接指针中，reference 储存的就是对象地址，所以，需要考虑的是如何防止访问类型数据的相关信息(图片来自Java虚拟机第三版)

优点介绍：
句柄：使用句柄好处是，reference中存放的是文档的句柄地址，对象被移动时，只改变句柄的实例数据指针，而reference 本身不需要修改
直接指针：使用直接指针的最大好处就是速度更快，节省了指针定位的开销；

扩展

为什么字符串拼接的时候，不适合用 String ，而应该使用 StringBuilder 或者 StringBuffer ？比如 String = “abc”; (可参考常量池来解释哟)