从Android程序员的角度理解JVM内存布局
前言
这个标题有点怪，啥叫从Android程序员的角度理解JVM呢？从Android程序员的角度出发来说，感觉JVM(Java Virtual Machine)离我们有点远啊。因为我们一般开发都是在ART环境，最不济也是在Dalivk环境下运行App程序，JVM吗是有点远！但是，理解JVM可以帮助我们更好的了解Java内存的布局，对象的创建和访问，垃圾的回收等等。引申到Android 虚拟机也是类似的原理。这个篇章就是我作为一个Android程序员角度出发来了解和掌握JVM中学习的一些知识点，这里不会教大家怎么设置各种参数调优，但是会重点放在一些JVM一些基础点的讲解上。这样做的目的是为了Android程序员更好的掌握JVM基础知识点，然后将其运用到Android开发中。所以若想要更加系统更加详细的学习 JVM 知识，还是需要去阅读专业的书籍和文档。
一.JVM内存布局
我们知道内存在操作系统终端中是非常重要的系统资源，是硬盘和 CPU 的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行。同样的内存相对于JVM来说也是，根据java虚拟机规范，JVM 内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了 JVM 的高效稳定运行。
上图描述的比较经典的JVM五大内存布局区域，这里重点需要注意的是框区的大小并不是代表每个内存区域的大小，这里仅仅是为了演示使用。
如果按照内存区域是否共享来划分的话，如下图所示：
通过前面的两个图，我们应该对JVM的内存分布有了一个大致的了解了。至于线程是否共享这点，实际上理解了每块区域的实际用处之后，就很自然而然的就记住了。不需要死记硬背，当然死记硬背也不可能会记住的。不要问为什么，因为这是从经验得来的。
下面让我们来了解下各个区域。
1.1 程序计数器
程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间。是线程私有的。它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。什么意思呢？比如如下字节码内容，在每个字节码`前面都有一个数字（行号），我们可以认为它就是程序计数器存储的内容。
记录这些数字（指令地址）有啥用呢，我们知道 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器的时间来完成的，在任何一个时刻，一个处理器只会执行一个线程，如果这个线程被分配的时间片执行完了（线程被挂起），处理器会切换到另外一个线程执行，当下次轮到执行被挂起的线程（唤醒线程）时，怎么知道上次执行到哪了呢，通过记录在程序计数器中的行号指示器即可知道，所以程序计数器的主要作用是记录线程运行时的状态，方便线程被唤醒时能从上一次被挂起时的状态继续执行，需要注意的是，程序计数器是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OOM 情况的区域，所以这块区域也不需要进行 GC的。
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。每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和栈帧，程序计数器用来存放执行指令的偏移量和行号指示器等，线程执行或恢复都要依赖程序计数器。 此区域也是JVM内存中有且仅有的不会发生内存溢出异常的区域。
1.2 Java虚拟机栈
Java虚拟机栈是JVM内存区域中最具有迷惑性的一个区域，从字面意思理解还以为这个是多线程共享的呢，而其实是恰恰相反的。大胆猜测是当初翻译的问题，我觉得叫做Java线程栈比较恰当。
对于每一个线程，JVM 都会在线程被创建的时候，创建一个单独的栈，这就是我们所说的Java虚拟机栈。也就是说虚拟机栈的生命周期和线程是一致，并且是线程私有的。除了 Native 方法以外，Java 方法都是通过 Java 虚拟机栈来实现调用和执行过程的（需要程序技术器、堆、元空间内数据的配合）。所以 Java 虚拟机栈是虚拟机执行引擎的核心之一。而 Java 虚拟机栈中出栈入栈的元素就称为「栈帧」。
栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用至执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里从入栈到出栈的过程。
- 栈对应线程，栈帧对应方法
- 栈帧大小实在编译期确定，不受运行期数据影响
在活动线程中， 只有位于栈顶的帧才是有效的， 称为当前栈帧。正在执行的方法称为当前方法。在执行引擎运行时， 所有指令都只能针对当前栈帧进行操作。而 StackOverflowError 表示请求的栈溢出， 导致内存耗尽， 通常出现在递归方法中。如下实例所示：
public class JavaStack {
//无限递归，导致虚拟机栈溢出
public static int f(int num) {
num++;
return f(num);
}
public static void main(String[] args) {
f(0);
}
}
虚拟机栈通过 pop 和 push 的方式，对每个方法对应的活动栈帧进行运算处理，方法正常执行结束，肯定会跳转到另一个栈帧上。在执行的过程中，如果出现了异常，会进行异常回溯，返回地址通过异常处理表确定。
可以看出栈帧在整个 JVM 体系中的地位颇高。栈帧的大概示意图如下：
通过前面的示意图我们对栈帧有了一个轮廓上的认识，下面让我们对其一一介绍一番：
1.2.1 局部变量表
局部变量表(Local Variable)，这个先从字面意思看看就是存储局部变量的一个表。从术语上来讲局部变量表代表的是一片连续的内存空间，用来存放方法参数，以及方法内定义的局部变量，存放着编译期间已知的数据类型(八大基本类型和对象引用(reference类型)。
- reference类型:与基本类型不同的是它不等同本身，即使是String，内部也是char数组组成，它可能是指向一个对象起始位置指针，也可能指向一个代表对象的句柄或其他与该对象有关的位置。
如果对上述的描述还不是很明白，让我们上代码和示意图，这样就好理解了。
public int fun(int a, int b){
Object obj = new Object();
return a + b;
}
如果局部变量是 Java 的 8 种基本基本数据类型，则存在局部变量表中，如果是引用类型。如 new 出来的 String，局部变量表中存的是引用，而实例在堆中。如下示意图所示：
关于局部变量表需要重点注意的是:局部变量表所需要的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法在栈中需要分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表大小。
1.2.2 操作数栈
操作数栈（Operand Stack）看名字可以知道是一个栈结构，是操作变量的内存模型。Java 虚拟机的解释执行引擎称为“基于栈的执行引擎”，其中所指的“栈”就是操作数栈。当 JVM 为方法创建栈帧的时候，在栈帧中为方法创建一个操作数栈，保证方法内指令可以完成工作。当方法刚开始执行的时候，栈是空的，当方法执行过程中，各种字节码指令往栈中存取数据。
说得再多不如实操一遍来得痛快。
/**
*
* @author tangkw
* 演示操作数栈使用
*
*/
public class OperandStackTest {
public int sum(int a, int b) {
return a + b;
}
}
通过javah编译生成.class文件之后，再通过javap返回编译查看汇编指令：
E:\workspace\TestForJava\src\com\pax\api\fun
λ javac OperandStackTest.java
E:\workspace\TestForJava\src\com\pax\api\fun
λ javap -v OperandStackTest.class
Classfile /E:/workspace/TestForJava/src/com/pax/api/fun/OperandStackTest.
class
Last modified 2020-4-14; size 278 bytes
MD5 checksum b9bdf29ae16869b405a6b285a98e4625
Compiled from "OperandStackTest.java"
public class com.pax.api.fun.OperandStackTest
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #3.#12 // java/lang/Object."<init>":()
V
#2 = Class #13 // com/pax/api/fun/OperandStack
Test
#3 = Class #14 // java/lang/Object
#4 = Utf8 <init>
#5 = Utf8 ()V
#6 = Utf8 Code
#7 = Utf8 LineNumberTable
#8 = Utf8 sum
#9 = Utf8 (II)I
#10 = Utf8 SourceFile
#11 = Utf8 OperandStackTest.java
#12 = NameAndType #4:#5 // "<init>":()V
#13 = Utf8 com/pax/api/fun/OperandStackTest
#14 = Utf8 java/lang/Object
{
public com.pax.api.fun.OperandStackTest();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object.
"<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
public int sum(int, int);
descriptor: (II)I
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=3 //最大栈深度为2 局部变量个数为3
0: iload_1 // 局部变量1 压栈
1: iload_2 // 局部变量2 压栈
2: iadd // 栈顶两个元素相加，计算结果压栈
3: ireturn //返回
LineNumberTable:
line 5: 0
}
SourceFile: "OperandStackTest.java"
1.2.3 动态链接
每个栈帧中都包含一个在常量池中对当前方法的引用， 目的是支持方法调用过程的动态连接。
1.2.4 方法返回地址
方法执行时有两种退出情况：
- 正常退出，即正常执行到任何方法的返回字节码指令，如 RETURN、IRETURN、ARETURN 等
- 异常退出
无论何种退出情况，都将返回至方法当前被调用的位置。方法退出的过程相当于弹出当前栈帧，退出可能有三种方式：
- 返回值压入上层调用栈帧
- 异常信息抛给能够处理的栈帧
- PC 计数器指向方法调用后的下一条指令
1.2.5 Java虚拟机栈常见的异常
Java虚拟机栈可能出现两种类型的异常：
- 线程请求的栈深度大于虚拟机允许的栈深度，将抛出StackOverflowError。这个在前面已经通过实例讲解了，就不过多举例了。
- 虚拟机栈空间可以动态扩展，当动态扩展是无法申请到足够的空间时，抛出OutOfMemory异常。这个要怎么通过实例来演示呢，可以通过不断创建线程的方法，在这种情况下，为每个线程分配的内存越大，就会越容易产生OOM异常。下面在测试之前，先特别提示一下，如果想测试栈的OOM异常，记得先保存当前的工作。由于Windows平台的虚拟机中，Java的线程是映射到操作系统的内核上的，因此以下代码可能会导致操作系统假死。不要问我为啥知道，因为谁用谁知道。
/**
*
* @author tangkw
* 演示Java虚拟机栈溢出
*/
public class JavaVMStackOOM {
private void dontStop() {
while (true) {
}
}
public void stackLeakByThread() {
while (true) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
dontStop();
}
}).start();
}
}
public static void main(String[] args) {
JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
oom.stackLeakByThread();
}
}
1.3 Java本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如 Sun HotSpot 虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。
1.4 堆区(Heap)
1.4.1 堆区的介绍
堆是 OOM 故障最主要的发生区域。它是内存区域中最大的一块区域，被所有线程共享，存储着几乎所有的实例对象、数组。所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。
Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC 堆”。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以 Java 堆中还可以细分为：新生代和老年代。再细致一点的有 Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的 Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。根据虚拟机规范，Java堆可以存在物理上不连续的内存空间，就像磁盘空间只要逻辑是连续的即可。
1.4.2 堆区的调整
根据 Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以在运行时动态地调整。
怎么调整：
由于我们是从Android程序员的角度出发，所以我们对于怎么调整不在本篇的讲解范围之内，对其有一个基本理论知识即可。
通过设置如下参数，可以设定堆区的初始值和最大值，比如 -Xms256M -Xmx 1024M，其中 -X 这个字母代表它是 JVM 运行时参数，ms 是 memory start 的简称，中文意思就是内存初始值，mx 是 memory max 的简称，意思就是最大内存。
值得注意的是，在通常情况下，服务器在运行过程中，堆空间不断地扩容与回缩，会形成不必要的系统压力所以在线上生产环境中 JVM 的 Xms 和 Xmx 会设置成同样大小，避免在 GC 后调整堆大小时带来的额外压力。
这里以eclipse运行Java程序为例说明：
右击工程 Run AS -->选最下面Run…–> Arguments–>在VM arguments里面填 -Xmx256m。这样就可以设置它运行时最大内存为256m，其它的参数设置也可以类似设置。
1.4.3 JVM堆的默认空间分配
让我们看一下堆空间内存分配的大体情况。示意图如下：
这里可能就会有人来问了，你从哪里知道的呢？如果我想配置这个比例，要怎么修改呢？
我先来告诉你怎么看虚拟机的默认配置。命令行上执行如下命令，就可以查看当前 JDK 版本所有默认的 JVM 参数。
java -XX:+PrintFlagsFinal -version
对应的输出应该有几百行，我们这里去看和堆内存分配相关的两个参数
>java -XX:+PrintFlagsFinal -version
[Global flags]
...
uintx InitialSurvivorRatio = 8
uintx NewRatio = 2
...
java version "1.8.0_131"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_131-b11)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.131-b11, mixed mode)
参数解释:
| 参数 | 作用 |
|---|---|
| -XX: InitialSurvivorRatio | 新生代Eden/Survi vor空间的初始比例 |
| -XX: NewRatio | Old区/Young区的内存比例 |
因为新生代是由 Eden + S0 + S1 组成的，所以按照上述默认比例，如果 eden 区内存大小是 40M，那么两个 survivor 区就是 5M，整个 young 区就是 50M，然后可以算出 Old 区内存大小是 100M，堆区总大小就是 150M。
1.4.3 Android进程堆区情况
这里我们也过一下Android虚拟机的堆分布情况，如下所示：
130|msm8953_64:/ # getprop | grep dalvik.vm
[dalvik.vm.appimageformat]: [lz4]
[dalvik.vm.dex2oat-Xms]: [64m]
[dalvik.vm.dex2oat-Xmx]: [512m]
[dalvik.vm.dex2oat-minidebuginfo]: [true]
[dalvik.vm.dexopt.secondary]: [true]
[dalvik.vm.heapgrowthlimit]: [192m]
[dalvik.vm.heapmaxfree]: [8m]
[dalvik.vm.heapminfree]: [4m]
[dalvik.vm.heapsize]: [512m]
[dalvik.vm.heapstartsize]: [16m]
[dalvik.vm.heaptargetutilization]: [0.75]
[dalvik.vm.image-dex2oat-Xms]: [64m]
[dalvik.vm.image-dex2oat-Xmx]: [64m]
[dalvik.vm.isa.arm.features]: [default]
[dalvik.vm.isa.arm.variant]: [cortex-a53]
[dalvik.vm.isa.arm64.features]: [default]
[dalvik.vm.isa.arm64.variant]: [generic]
[dalvik.vm.lockprof.threshold]: [500]
[dalvik.vm.stack-trace-dir]: [/data/anr]
[dalvik.vm.usejit]: [true]
[dalvik.vm.usejitprofiles]: [true]
[persist.sys.dalvik.vm.lib.2]: [libart.so]
[ro.dalvik.vm.native.bridge]: [0]
让我们对这些值大概解释一下：
- dalvik.vm.heapstartsize=16m，相当于虚拟机的 -Xms配置，该项用来设置堆内存的初始大小。
- dalvik.vm.heapgrowthlimit=192m，相当于虚拟机的 -XX:HeapGrowthLimit配置，该项用来设置一个标准的应用的最大堆内存大小。一个标准的应用就是没有使用android:largeHeap的应用。
- dalvik.vm.heapsize=512m，相当于虚拟机的 -Xmx配置，该项设置了使用android:largeHeap的应用的最大堆内存大小。
- dalvik.vm.heaptargetutilization=0.75相当于虚拟机的 -XX:HeapTargetUtilization,该项用来设置当前理想的堆内存利用率。其取值位于0与1之间。当GC进行完垃圾回收之后，Dalvik的堆内存会进行相应的调整，通常结果是当前存活的对象的大小与堆内存大小做除法，得到的值为这个选项的设置，即这里的0.75
- dalvik.vm.heapminfree=4m与 dalvik.vm.heapmaxfree=8m
dalvik.vm.heapminfree对应的是-XX:HeapMinFree配置，用来设置单次堆内存调整的最小值。
dalvik.vm.heapmaxfree 对应的是-XX:HeapMaxFree配置，用来设置单次堆内存调整的最大值。
关于这些参数是如何得来，这个就牵涉到Android虚拟机的启动流程了，不在本篇的讨论范围之内。
源码的路径如下：
frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp
具体参见如下函数，感兴趣的自行研究：
int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)
{
JavaVMInitArgs initArgs;
char propBuf[PROPERTY_VALUE_MAX];
char stackTraceFileBuf[sizeof("-Xstacktracefile:")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char jniOptsBuf[sizeof("-Xjniopts:")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char heapstartsizeOptsBuf[sizeof("-Xms")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char heapsizeOptsBuf[sizeof("-Xmx")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char heapgrowthlimitOptsBuf[sizeof("-XX:HeapGrowthLimit=")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char heapminfreeOptsBuf[sizeof("-XX:HeapMinFree=")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char heapmaxfreeOptsBuf[sizeof("-XX:HeapMaxFree=")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char usejitOptsBuf[sizeof("-Xusejit:")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char jitmaxsizeOptsBuf[sizeof("-Xjitmaxsize:")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char jitinitialsizeOptsBuf[sizeof("-Xjitinitialsize:")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char jitthresholdOptsBuf[sizeof("-Xjitthreshold:")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
char useJitProfilesOptsBuf[sizeof("-Xjitsaveprofilinginfo:")-1 + PROPERTY_VALUE_MAX];
...
}
1.4.4 JVM堆栈溢出实例
人狠话不过直接上实例代码，如下：
/**
*
* @author tangkw
* VM Args：-Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，设置堆的最大为10M
*/
public class HeapOOMFun {
public static final int _1MB = 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) {
List<byte[]> byteList = new ArrayList<>(10);
for (int i = 0; i < 6; i++) {//这里演示的是12M，所以堆溢出了
byte[] bytes = new byte[2 * _1MB];
byteList.add(bytes);
}
}
}
直接运行，关于JVM参数的设置方法，前面有讲解了怎么在eclipse里面设置，请参见前面篇章。运行结果如下：
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid25400.hprof ...
Heap dump file created [7520617 bytes in 0.014 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at com.pax.api.fun.HeapOOMFun.main(HeapOOMFun.java:12)
注意:-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 可以让 JVM 在遇到 OOM 异常时，输出堆内信息，特别是对相隔数月才出现的 OOM 异常尤为重要。
1.5 方法区和运行时常量池
-
方法区:
方法区同堆一样，是所有线程共享的内存区域，为了区分堆，又被称为非堆。
方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等，如static修饰的变量加载类的时候就被加载到方法区中。 -
运行时常量池:
是方法区的一部分，class文件除了有类的字段、接口、方法等描述信息之外，还有常量池用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。 -
需要注意的点:
这块知识我们需要掌握的一个重点就是在jdk1.7之前字符常量池是存放在方法区中的，但是在jdk1.7及之后就从方法区中移除了字符串常量池，放在了堆中。方法区也是多个线程共享的，存放已经被虚拟机加载的类信息，常量和静态变量等数据信息，在方法区中还存在一个运行时常量池，这个是值得好好研究的。首先是Class文件中除了有类的字段，方法和接口等描述信息之外还有一个常量池，这些内容会在类加载后进入方法区的运行时常量池。而这个常量池是用于存放编译阶段生成的各种字面量和符号引用。
结语
修行至此，恭喜读者你已经对JVM内存布局有了一个比较清晰的认识了，但是如果想要深入掌握，这里我只能说臣妾做不到。这个就得找专业书籍深入研究了，这边文章最多就是一个入门的东西了。
写在最后
好了JVM内存布局就写到这了，后续的篇章我会继续从Android程序员的角度出发来讲解和学习JVM其它的知识，主要是个人能力有限，只能入门级别啊。在最后麻烦读者朋友们如果本篇对你有帮助，关注和点赞一下，当然如果有错误和不足的地方也可以拍砖。
