JVM内存结构 - 《🎡 JVM - Java 虚拟机学习》

谈谈你对JVM的理解
JVM概念图
程序计数器
- 程序计数器的作用是什么
虚拟机栈
- 栈中可能发生的异常？
本地方法栈
堆
- 堆的内存分布？
- Java对象都是在堆上分配吗
方法区
为什么需要Java直接内存，它是什么？

谈谈你对JVM的理解

Java虚拟机是一台执行Java字节码的虚拟计算机，它拥有独立的运行机制，其运行的Java字节码可以由多种语言编译而成。
Java虚拟机就是二进制字节码的运行环境，负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。

JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互

JVM概念图

程序计数器

程序计数器的作用是什么

任何时间一个线程都只有一个方法在执行，而PC用于记录JVM中下一条所要执行的JAVA方法的指令地址
CPU会为每个线程分配时间片，当前线程的时间片使用完以后，CPU就会去执行另一个线程中的代码。而程序计数器是每个线程所私有的，当另一个线程的时间片用完，又返回来执行当前线程的代码时，通过程序计数器可以知道应该执行哪一句指令

虚拟机栈

定义

每个线程运行，jvm都会为其分配内存空间，称为虚拟机栈
每个栈由多个栈帧组成（栈帧里面包含各种参数、局部变量、返回地址），每个栈帧对应着每次方法调用时所占用的内存
每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的方法（也是栈顶部的栈帧）

栈只有进栈入栈的功能，并不会发生GC

栈中可能发生的异常？

stackoverflow：如果采用固定大小的虚拟机栈，那每一个线程可以在创建时指定所分配的栈大小，当线程请求内存过大时，报stackoverflow错误
OutofMemoryError：如果采用动态分配栈大小的模式，在尝试扩展但无法申请足够内存时，或者创建新的线程没有足够内存去创建对应虚拟机栈时，报OutofMemoryError错误

本地方法栈

本地方法就是Java调用非Java代码的API，因为JAVA有时候没法直接和操作系统底层交互，所以需要用到本地方法（线程私有）。
本地方法栈管理着本地方法的调用，在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一

堆

通过new关键字创建的对象都会被放在堆内存
所有线程都共享堆，堆内存中的对象都需要考虑线程安全问题
有垃圾回收机制（Minor GC、Major GC、Full GC）

堆里面的内存并不是都共享的，还有TLAB（线程私有的缓存区），用于提高线程同步的并发性。

堆的内存分布？

在 JDK 7 版本及 JDK 7 版本之前，堆内存被通常分为下面三部分：

新生代(Young Generation)：又可分为Eden+Survivor空间
老生代(Old Generation)
永久代(Permanent Generation)

而JDK8 以后，永久代变成了元空间（在方法区里面）

几乎所有的对象都是在Eden区被new出来的（如果对象过大，可能直接进入老年代）
从Eden->Survivor->老年代：都是发生GC的过程

Java对象都是在堆上分配吗

不一定，未逃逸出当前函数的指针指向的对象可以在栈上分配
但是HotSpot虚拟机目前说这个逃逸分析算法还不成熟，因此都是在堆上分配

方法区

方法区是一个概念，永久代和元空间都是其实现。

1.6JDK

静态变量、字符串常量池都在永久代中

1.7JDK

将静态变量、字符串常量池存放在堆中

1.8JDK

字符串常量池在堆中
方法区也是线程共享的，其存储着类相关信息（类型信息、静态变量、运行时常量池等）
JDK1.8，元空间已经不占用堆内存了（不由JVM管理），而是移出到本地内存当中（操作系统内存，且默认没有设置上限内存）

永久代为什么要被元空间代替？

对永久代调优困难（full GC很浪费时间）
永久代的空间大小难设置（导致动态加载类时，容易产生OOM）

什么是运行时常量池

常量池：常量池是_._class文件中的，可以看作一张表（由二进制字节码组成），虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量信息
运行时常量池：当该类被加载以后，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

StringTable

StringTable在堆中

我们来讨论以下代码的执行周期：

字符串定义

public class StringTableStudy {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "a"; 
        String b = "b";
        String ab = "ab";
    }
}

当程序运行时，开始加载运行时常量池，此时，a、b、ab这些都只是常量池中的符号，并不是java的String对象
当程序执行到String a = “a”; 时，才会把该符号变成“a”字符串对象，这种行为是懒惰的
将字符串对象加载到StringTable中（也叫串池）
以上机制，可以避免重复创建字符串对象

字符串变量拼接

我们来讨论字符串变量拼接创建字符串的执行周期

public class StringTableStudy {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "a";
        String b = "b";
        String ab = "ab";
        //拼接字符串对象来创建新的字符串
        String c = a+b; 
    }
}

通过拼接的方式(+号)来创建字符串的过程是使用StringBuilder方法来做的，其过程就是StringBuilder().append(“a”).append(“b”).toString()
而StringBuilder的toString方法就是 new 一个String对象（会在堆生成）
因此，当我们判断 c == ab 时，其实是不等的，因为一个在堆内存中，另一个在串池中

字符串常量拼接

public class StringTableStudy {
    public static void main(String[] args) {
        String ab = "ab";
        String d = "a" + "b";
    }
}

使用拼接字符串常量的方法来创建新的字符串时，因为内容是常量，javac在编译期会进行优化，结果已在编译期就确定结果为”ab”
此时，如果串池中存在”ab”，则直接返回

intern方法

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String str = new String("a") + new String("b");
        //执行完后：StringTable={"a","b"} ，str则是以“ab”的形式存在于堆内存之中
        System.out.println(str == “ab”); // 串池中并没有“ab”，返回false
        // 调用intern方法，将“ab”放入串池
        String str2 = str.intern();
        System.out.println(str2 == “ab”); // 返回true
    }
}

字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中

这时串池中没有”ab”，则会放入到串池中；如果有，则不放入
无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象

intern在JDK6、7版本中的区别？

StringTable调优

因为StringTable是由HashTable实现的，所以可以适当增加HashTable桶的个数，来减少字符串放入串池所需要的时间
考虑是否需要将字符串对象入池：可以通过intern方法减少重复入池

StringTable为什么要调整到堆中？

因为永久代的回收效率很低（当触发Full GC才会，而Full GC是当老年代、永久代空间不足才触发），但是实际开发中会有大量字符串被创建、需要回收，于是移动到堆中

为什么需要Java直接内存，它是什么？

在进行IO读写的时候，避免了 Java 堆和 Native 堆（native heap）中来回复制数据，浪费空间
DirectByteBuffer 直接在堆内储存有对其的引用，不需要复制就能访问