Java虚拟机

java虚拟机

1. Java内存区域与内存溢出异常

程序计数器

• 是一块较小的空间，它可以看作当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
  因此为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，所以是线程私有的。
  如果线程执行一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果执行Native方法，这个计数器值为空。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

• 线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的同时都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。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
• 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean, byte, char,short,int,float,long,double),对象引用(reference类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)
• 该区域会出现两种异常:如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出**StackOverflowErro**r异常；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，就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

• 本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务

Java堆

• Java堆是Java虚拟机所管理的内存最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动创建。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在这里分配内存。（数组也在堆内存分配）Java堆可以分成:新生代和老年代；再細致點可以分爲Eden空间、From survivor空间，To Survivor空间等。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

• 是各个线程共享的内存区域，它用于存储被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。这区域的内存回收主要目标是针对常量池的回收和对类型的卸载。

运行时常量池

• 是方法区的一部分。Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

2.程序编译与代码优化

早期（编译期)优化

编译期主要有:

1. 前端编译器:把.java文件转变成.class文件的过程;Sun的Javac、Eclipse JDT中的增量式编译器(ECJ)。
2. JIT编译器:虚拟机的后端运行时编译器（JIT编译期，Just In Time Compiler)直接把*.java文件编译成本地机器码的过程。
3. AOT编译器:静态提前编译器(Ahead Of Time Compiler)直接把*.java文件编译成本地机器代码的过程。

Javac编译器

编译过程大致分为3个过程
4. 解析与填充符号表过程
5. 插入式注解处理器的注解处理过程
6. 分析与字节码生成过程

对象创建

1. 虚拟机遇到new指令时，首先去检查这个指令参数是否能在常量池中定位到一个类符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
2. 类加载检查通过后，接下来虚拟机为新生的对象分配内存。对象所需要内存的大小在类加载完成后便可以完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。 按照内存是否规整可分为两种方式:
   指针碰撞: 假设Java堆中内存时绝对规整的，所用过的内存放一边，空闲的内存放另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相同的距离。
   空闲列表:如果Java堆内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存交错，虚拟就就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。

3. 解决内存分配过程中线程安全问题:
   一种时对内存分配空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS(比较并交换(compare and swap, CAS)，是原子操作的一种，可用于在多线程编程中实现不被打断的数据交换操作，从而避免多线程同时改写某一数据时由于执行顺序不确定性以及中断的不可预知性产生的数据不一致问题。 该操作通过将内存中的值与指定数据进行比较，当数值一样时将内存中的数据替换为新的值。)配上失败重试的方式保证更新操作的原子性; 另一种时把内存分配的动作按照线程分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一块内存，称为本地线程分配缓冲(TLAB)。

4. 内存分配完成后，虚拟机要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作可以提前至TLAB分配时进行。这一操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

5. 接下来虚拟机对对象进行必要的设置，例如这个对象时哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象头之中。
6. 执行new指令后接着执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全生产出来。

对象的内存布局

HotSpot虚拟机:对象在内存中存储的布局可以分为3个区域:对象头，实例数据和对齐填充。
对象头包括两部分信息,第一部分用于存储对象自身运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID等。另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象时哪个类的实例。

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。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
如果使用句柄访问的话，Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据的具体各自的地址信息。如图1所示。

如果使用直接指针访问的话，Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如图2所示。

这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。
使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问的在Java中非常频繁，因此这类开销积小成多也是一项非常可观的执行成本。从上一部分讲解的对象内存布局可以看出，就虚拟机HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象访问，但在整个软件开发的范围来看，各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见。