1.程序計(jì)數(shù)器

概念

程序計(jì)數(shù)器也叫作PC寄存器，是一塊很小的內(nèi)存區(qū)域，可以看做是當(dāng)前線程執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。字節(jié)碼的解釋工作就是通過(guò)改變程序計(jì)數(shù)器里面的值來(lái)獲得下一條需要執(zhí)行字節(jié)碼的指令。

特點(diǎn)

• Pc寄存器表現(xiàn)為一塊內(nèi)存，功能是存放偽指令，確切的說(shuō)是存放的將要執(zhí)行指令的地址。
• 當(dāng)虛擬機(jī)正在執(zhí)行的是一個(gè)native方法時(shí)，JVM的PC寄存器存儲(chǔ)的值是undefined。
• 程序計(jì)數(shù)器是線程私有的，它的生命周期和線程一樣，每個(gè)線程只有一個(gè)。這也是為了保證多線程下，線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，所以每個(gè)線程需要獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，相互隔離互不影響。
• 此區(qū)域是唯一一個(gè)沒(méi)有OOM情況的區(qū)域。

圖例

2.虛擬機(jī)棧

概念

JAVA虛擬機(jī)棧的生命周期和線程相同，他也是線程私有的，每一個(gè)線程有自己獨(dú)立的虛擬機(jī)棧。他用來(lái)存儲(chǔ)棧幀，程序運(yùn)行時(shí)，每一個(gè)方法被調(diào)用執(zhí)行時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，用來(lái)存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法從調(diào)用到執(zhí)行完就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)中從入棧到出棧的過(guò)程。

圖例演示

棧幀

棧幀是支持虛擬機(jī)方法調(diào)用和執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。棧幀中存儲(chǔ)了方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)連接和方法返回地址等信息。每一個(gè)方法的調(diào)用和執(zhí)行完成都對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀從虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過(guò)程。

設(shè)置虛擬機(jī)棧的大小

-Xss為JVM啟動(dòng)時(shí)的每個(gè)線程分配的內(nèi)存大小，也就是可以設(shè)置線程棧的大小。

局部變量表

局部變量表是一組變量值存儲(chǔ)空間，用于存放方法的參數(shù)和方法內(nèi)定義的局部變量。

操作數(shù)棧

操作數(shù)棧是一個(gè)后入先出棧(LIFO)。隨著方法執(zhí)行和字節(jié)碼指令的執(zhí)行，會(huì)從局部變量表或者對(duì)象實(shí)例的字段中復(fù)制常量或者變量寫到操作數(shù)棧，再隨著計(jì)算的進(jìn)行會(huì)將棧中的元素出棧到局部變量表或者返回給方法調(diào)用者。

動(dòng)態(tài)鏈接

java虛擬機(jī)中，每一個(gè)棧幀都包含一個(gè)指向運(yùn)行時(shí)常量池中該棧所屬方法的符號(hào)引用，持有這個(gè)引用的目的為了支持方法調(diào)用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)鏈接。 動(dòng)態(tài)鏈接的作用：將符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用。

方法返回地址

方法返回地址存放調(diào)用該方法的PC寄存器的值。一個(gè)方法的結(jié)束，有兩種方式：正常地執(zhí)行完成，出現(xiàn)未處理的異
常非正常的退出。無(wú)論通過(guò)哪種方式退出，在方法退出后都返回到該方法被調(diào)用的位置。方法正常退出時(shí)，調(diào)用者
的PC計(jì)數(shù)器的值作為返回地址，即調(diào)用該方法的指令的下一條指令的地址。而通過(guò)異常退出的，返回地址是要通過(guò)
異常表來(lái)確定，棧幀中一般不會(huì)保存這部分信息。
無(wú)論方法是否正常完成，都需要返回到方法被調(diào)用的位置，程序才能繼續(xù)進(jìn)行。

3.本地方法棧

概念

本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用到的本地（Native） 方法服務(wù)，而虛擬機(jī)棧是為使用到的java方法服務(wù)。

關(guān)于native方法

native關(guān)鍵字修飾的Java方法是一個(gè)原生態(tài)方法，方法對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)Java作用范圍達(dá)不到，而是在用其他編程語(yǔ)言（如C和C++）文件中實(shí)現(xiàn)。Java語(yǔ)言本身不能直接對(duì)操作系統(tǒng)底層進(jìn)行訪問(wèn)和操作，但可以通過(guò)JNI接口調(diào)用其他編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)底層的訪問(wèn)。 native方法在異地實(shí)現(xiàn)，類似抽象方法，不能有方法體，要以分號(hào)結(jié)束。例如：

本地方法棧特點(diǎn)

• 本地方法棧加載nativef方法，是為了填補(bǔ)java不方便實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景產(chǎn)生的。
• 虛擬機(jī)棧為為虛擬機(jī)執(zhí)行java服務(wù)，而本地方法棧為了執(zhí)行虛擬機(jī)所使用到的native服務(wù)
• 本地方法棧也是線程私有的，和線程的生命周期是一致的，每個(gè)線程都有一個(gè)本地方法棧。

4.堆

4.1 堆的總括

4.1.1 概念

Java堆（Java Heap） 是虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。 Java堆是被所 有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域， 在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。 此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例， Java 世界里“幾乎”所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。

4.1.2 特點(diǎn)

• 堆是Java虛擬機(jī)所管理內(nèi)存中最大的一塊區(qū)域。
• 堆是線程共享的。
• 堆在虛擬機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候創(chuàng)建。
• 堆存在的目的就是存放對(duì)象實(shí)例。
• 堆是垃圾回收管理的主要區(qū)域。因此堆又被稱作為GC堆，JAVA堆還可以細(xì)分為新生代，老年代，永久代(jdk8以后就取消了)，其中新生代又分為Eden空間、From survivor、To survivor。
• 堆在計(jì)算機(jī)物理上存儲(chǔ)是不連續(xù)的，但是邏輯上是連續(xù)的，它的大小可以調(diào)節(jié)(-Xmx,-Xms控制)。
• 方法結(jié)束后，堆對(duì)象不會(huì)馬上的移除，僅僅在垃圾回收的時(shí)候才會(huì)移除。
• 如果堆中沒(méi)有足夠的內(nèi)存完成對(duì)實(shí)例的分配，且堆的空間無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，那么將會(huì)報(bào)出OOM異常。

4.1.3 設(shè)置堆內(nèi)存大小

我們可以通過(guò)-Xms來(lái)設(shè)置最小堆內(nèi)存，通過(guò)-Xmx設(shè)置最大堆內(nèi)存。

以上是設(shè)置了:-Xms5m -Xmx20m

這里可以看出打印出來(lái)的Xmx值18m和設(shè)置的值20m之間是有差異的，total Memory和最大的內(nèi)存之間也還是存在比較明顯的差異，就是說(shuō)JVM一般會(huì)盡量保持內(nèi)存在一個(gè)盡可能底的層面，而非貪婪做法按照最大的內(nèi)存來(lái)進(jìn)行分配。

另外，當(dāng)我們申請(qǐng)分配內(nèi)存10m時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)free Memory和total Memory都上升了，可以看出JVM在內(nèi)存分配時(shí)是動(dòng)態(tài)分配的。

4.1.4堆的分類

JAVA將虛擬機(jī)堆分為三個(gè)部分：

• 新生代 (又分為伊甸園區(qū)，幸存者區(qū)s0和幸存者區(qū)s1)
• 老年代
• 永久代(JDK1.8后沒(méi)有了，被本地內(nèi)存的元空間取代了)

圖例如下：

4.2 新生代和老年代

4.2.1 對(duì)象存儲(chǔ)

• 新生代存放剛創(chuàng)建的實(shí)例對(duì)象，內(nèi)存比較小，垃圾回收比較頻繁。新生代又分為Eden區(qū),survivor To區(qū)S0和survivor From區(qū)S1，其中S0區(qū)和S1區(qū)并不是固定的from及to的區(qū)域，由對(duì)象轉(zhuǎn)移的方向決定的，假設(shè)對(duì)象從S1轉(zhuǎn)移到S0，那么S1便是survivor From，S0是survivor To。
• 老年代主要存放一些生命周期比較長(zhǎng)的對(duì)象，經(jīng)過(guò)在新生代幾次的回收依舊沒(méi)有清除掉，那這部分實(shí)例便會(huì)轉(zhuǎn)移到老年代。老年代的垃圾回收相對(duì)來(lái)講沒(méi)有那么頻繁。

4.2.2 配置新生代和老年代的堆中占比

默認(rèn)情況下-XX:NewRatio=2，表示新生代：老年代 = 1:2，新生代占整個(gè)堆空間的1/3

案例：假設(shè)我們將-XX:NewRatio修改為等于4，那么則表示新生代：老年代 = 1:4，那么新生代占整個(gè)堆空間的1/5

除了我們可以配置新生代和老年代的比例之外，我們還可以配置eden和S0和S1在新生代中的占比情況，默認(rèn)情況下-XX:SurvivorRatio = 8，表示Eden:S0:S1=8:1:1，這表示Eden占整個(gè)新生代的8/10,而兩個(gè)survivor區(qū)域分別占了1/10,另外，需要補(bǔ)充一點(diǎn)，由于JVM在運(yùn)行時(shí)，每次都只會(huì)使用Eden區(qū)和一塊survivor區(qū)進(jìn)行服務(wù)，因此總是會(huì)有一個(gè)survivor區(qū)域是空閑著的，所以新生代的最高使用也只能達(dá)到9/10。

4.3 對(duì)象分配過(guò)程

• new對(duì)象時(shí)首先會(huì)將對(duì)象放在eden區(qū)，該區(qū)大小有內(nèi)存限制。
• 當(dāng)eden區(qū)的數(shù)據(jù)滿了之后，程序還需要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象，會(huì)觸發(fā)垃圾回收，將那些不再被引用的對(duì)象給銷毀掉。
• 剩余沒(méi)被回收掉的對(duì)象會(huì)被轉(zhuǎn)移到S0區(qū)，而程序新創(chuàng)建的對(duì)象又會(huì)繼續(xù)寫入Eden區(qū)。
• 當(dāng)再次發(fā)生垃圾回收時(shí)，如果S0中還存在未被銷毀的對(duì)象，那么這部分剩余的對(duì)象會(huì)被轉(zhuǎn)移到S1中。
• 之后每次經(jīng)歷垃圾回收，存在S0或者S1中未被銷毀的對(duì)象總會(huì)相互轉(zhuǎn)移過(guò)去。
• 當(dāng)這種轉(zhuǎn)移達(dá)到15次上限后，那么這部分對(duì)象將會(huì)被轉(zhuǎn)移到老年區(qū)。當(dāng)然這個(gè)閾值并不是固定15，可以通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù) -XX:MaxTenuringThreshold=N來(lái)控制閾值。
• 當(dāng)養(yǎng)老區(qū)的內(nèi)存也不足時(shí)，會(huì)觸發(fā)GC進(jìn)行養(yǎng)老區(qū)的垃圾回收。
• 如果養(yǎng)老區(qū)進(jìn)行了GC垃圾回收后還是沒(méi)有辦法保存新創(chuàng)建的對(duì)象，那么將會(huì)報(bào)OOM異常。

4.4 堆GC

Java中的堆是虛擬機(jī)中GC收集垃圾的主要區(qū)域。GC分為兩種，一種是部分收集(Partial GC),一種是整堆收集(Full GC).

部分收集

• 新生代收集(Minor GC/Yong GC)：只是新生代的垃圾回收。
• 老年代收集(Major GC/Old GC):只是老年代的垃圾回收。
• 混合收集(Mixed) :收集整個(gè)新生代和老年的垃圾。(G1 GC會(huì)混合回收, region區(qū)域回收)

整堆收集(Full GC)：收集整個(gè)java堆和方法區(qū)的垃圾收集器

年輕代GC觸發(fā)條件

• 當(dāng)年輕代內(nèi)存不足時(shí)，會(huì)觸發(fā)Minor GC，這里的內(nèi)存不足指的是Eden區(qū)的內(nèi)存不足，Survivor區(qū)不會(huì)。
• Minor GC 會(huì)暫停其他用戶的線程，等到垃圾回收結(jié)束，用戶的線程才恢復(fù)。

老年代GC觸發(fā)條件

• 老年代空間不足時(shí)，會(huì)嘗試觸發(fā)Minor Gc，如果空間還是不足，則會(huì)觸發(fā)Major GC
• 如果Major GC結(jié)束后，空間還是不足，會(huì)報(bào)OOM異常。
• Major GC的速度比Minor GC慢10倍以上。

Full GC觸發(fā)條件

• 程序調(diào)用System.gc()，會(huì)觸發(fā)Full GC，但不會(huì)立即去執(zhí)行。
• 老年代空間不足。
• 方法區(qū)空間不足。
• 通過(guò)Minor GC后仍能進(jìn)入老年代的對(duì)象所占空間大于老年代剩余可用空間。

5.元空間

JDK1.8后為什么廢除永久代，引入元空間

• 在之前的永久代中，它是堆的一部分，主要是在存儲(chǔ)類的元數(shù)據(jù)、靜態(tài)變量、常量等，這些數(shù)據(jù)的大小也不太容易控制和計(jì)算，開(kāi)發(fā)人員對(duì)永久代進(jìn)行調(diào)優(yōu)會(huì)有很多的難度。永久代會(huì)對(duì)GC帶來(lái)不必要的復(fù)雜度，回收效率偏低。
• 而用元空間替代永久代，這樣的話可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵臻g是放在本地內(nèi)存上的，簡(jiǎn)而言之，只要你服務(wù)器內(nèi)存還有，元空間基本就不會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出等問(wèn)題。

廢除永久代的好處

• 由于類的元數(shù)據(jù)分配在本地內(nèi)存上，這樣就說(shuō)元空間的最大分配內(nèi)存就是服務(wù)器系統(tǒng)剩余可用內(nèi)存，不會(huì)遇到永久代時(shí)存在的內(nèi)存溢出問(wèn)題。
• 將運(yùn)行時(shí)常量池從永久代中分離出來(lái)，與類的元數(shù)據(jù)分開(kāi)，提高了元數(shù)據(jù)的獨(dú)立性。
• 將元數(shù)據(jù)從永久代剝離出來(lái)放到元空間，可以提升對(duì)元數(shù)據(jù)的管理，同時(shí)也提升GC效率。

元空間相關(guān)參數(shù)

• -XX:MetaspaceSize，初始空間大小，達(dá)到該值就會(huì)觸發(fā)垃圾收集進(jìn)行類型卸載，同時(shí)GC會(huì)對(duì)該值進(jìn)行調(diào)整：如果釋放了大量的空間，就適當(dāng)降低該值；如果釋放了很少的空間，那么在不超過(guò)MaxMetaspaceSize時(shí)，適當(dāng)提高該值。
• -XX:MaxMetaspaceSize，最大空間，默認(rèn)是沒(méi)有限制的。如果沒(méi)有使用該參數(shù)來(lái)設(shè)置類的元數(shù)據(jù)的大小，其最大可利用空間是整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存的可用空間。JVM也可以增加本地內(nèi)存空間來(lái)滿足類元數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)。但是如果沒(méi)有設(shè)置最大值，則可能存在bug導(dǎo)致Metaspace的空間在不停的擴(kuò)展，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的內(nèi)存不足；進(jìn)而可能出現(xiàn)swap內(nèi)存被耗盡；最終導(dǎo)致進(jìn)程直接被系統(tǒng)直接kill掉。如果設(shè)置了該參數(shù)，當(dāng)Metaspace剩余空間不足，會(huì)拋出：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace space。
• -XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空間容量的百分比，減少為分配空間所導(dǎo)致的垃圾收集。
• -XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最大的Metaspace剩余空間容量的百分比，減少為釋放空間所導(dǎo)致的垃圾收集。

6.方法區(qū)

6.1方法區(qū)的理解

概念：

元空間、永久代是方法區(qū)具體的落地實(shí)現(xiàn)。方法區(qū)看作是一塊獨(dú)立于Java堆的內(nèi)存空間，它主要是用來(lái)存儲(chǔ)所加載
的類信息的，方法區(qū)是線程共享的。

特點(diǎn)：

• 方法區(qū)與堆一樣是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域。
• 方法區(qū)在JVM啟動(dòng)的時(shí)候就會(huì)被創(chuàng)建，并且它實(shí)際的物理內(nèi)存空間和Java堆一樣可以是不連續(xù)的。
• 方法區(qū)的大小跟堆一樣，可以選擇固定的大小或者動(dòng)態(tài)變化。
• 方法區(qū)的大小決定了系統(tǒng)可以保存多少個(gè)類，如果系統(tǒng)定義了太多的類，導(dǎo)致方法區(qū)溢出，虛擬機(jī)仍然會(huì)報(bào)OOM異常。
• 關(guān)閉虛擬機(jī)就會(huì)釋放方法區(qū)區(qū)域。

6.2 方法區(qū)結(jié)構(gòu)

類加載器將Class文件加載到內(nèi)存以后，將類的信息存儲(chǔ)到方法區(qū)中。

方法區(qū)中存儲(chǔ)的內(nèi)容：

• 類型信息(域信息、方法信息)
• 運(yùn)行時(shí)常量池

類型信息

• 這個(gè)類型的完整有效名稱（全名 = 包名.類名）
• 這個(gè)類型直接父類的完整有效名（對(duì)于 interface或是java.lang. Object，都沒(méi)有父類）
• 這個(gè)類型的修飾符（ public, abstract，final的某個(gè)子集）
• 這個(gè)類型直接接口的一個(gè)有序列表

域信息

域信息，即為類的屬性，成員變量
JVM必須在方法區(qū)中保存類所有的成員變量相關(guān)信息及聲明順序。
域的相關(guān)信息包括：域名稱、域類型、域修飾符（pυblic、private、protected、static、final、volatile、transient的
某個(gè)子集）

方法信息

1. 方法名稱方法的返回類型（或void）
2. 方法參數(shù)的數(shù)量和類型（按順序）
3. 方法的修飾符public、private、protected、static、final、synchronized、native,、abstract的一個(gè)子集
4. 方法的字節(jié)碼bytecodes、操作數(shù)棧、局部變量表及大?。?abstract和native方法除外）
5. 異常表（ abstract和 native方法除外）。每個(gè)異常處理的開(kāi)始位置、結(jié)束位置、代碼處理在程序計(jì)數(shù)器中的偏
   移地址、被捕獲的異常類的常量池索引

6.3 方法區(qū)設(shè)置

方法區(qū)的大小不必是固定的，可以根據(jù)應(yīng)用的需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整

• jdk7及之前通過(guò)-xx:Permsize來(lái)設(shè)置永久代初始分配空間。-XX:MaxPermsize來(lái)設(shè)定永久代最大可分配空間。64位的機(jī)器默認(rèn)是82M。當(dāng)JVM加載的類信息容量超過(guò)了這個(gè)值，會(huì)報(bào)OOM異常：PermGen space。
• jdk8及以后元數(shù)據(jù)區(qū)大小可以使用參數(shù) -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize指定。但是元數(shù)據(jù)區(qū)的 -XX:MaxMetaspaceSize默認(rèn)是-1即沒(méi)有限制，不設(shè)置可以使用系統(tǒng)剩余所有內(nèi)存。如果元數(shù)據(jù)區(qū)發(fā)生溢出，虛擬機(jī)一樣會(huì)拋出異常OutOfMemoryError:Metaspace

7.運(yùn)行時(shí)常量池

字節(jié)碼文件中，內(nèi)部包含了常量池。

方法區(qū)中，內(nèi)部包含了運(yùn)行時(shí)常量池。

常量池：存放了編譯期間產(chǎn)生的各種字面量和符號(hào)引用。

運(yùn)行時(shí)常量池：是常量池表在運(yùn)行時(shí)的一種表現(xiàn)形式。

編譯后的字節(jié)碼文件中包含了類型信息、域信息、方法信息等。通過(guò)ClassLoader將字節(jié)碼文件的常量池中的信息加載到內(nèi)存中，存儲(chǔ)在了方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中。

常量池，可以看做是一張表，虛擬機(jī)指令根據(jù)這張常量表找到要執(zhí)行的類名、方法名、參數(shù)類型、字面量等類型。