微信公众号：[老张聊天]
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风趣幽默的段子手，总结编程专业知识。
希望能用通俗易懂的语言，给小伙伴带来收获~
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一、开篇说明
老张最近在看多线程、锁的源码，但是在学习源码过程中，发现需要对Java虚拟机，以及JMM等有一个全面的理解，能更快的吸收源码中的知识。所以先更新Java虚拟机专栏内容。
之前没有接触过的小伙伴也不用怕不用怂，其实这部分知识，大部分还是理论。推荐先看一遍视频学习，对整体有印象和概念后，再来看书补充细节，多自己画图记忆。最后像老张一样，把学到的知识点巩固一下，整理成博客，最后按照自己的思路、自己的话能让别人听懂，就证明对这部分知识理解透彻了。
视频可以在B站搜索查看，有很多免费教程。
大家都知道Java程序可以转为字节码在Java虚拟机上运行，但是Java虚拟机有HotSpot，OpenJDK等等，一套字节码可以在多套虚拟机上运行，就是因为虚拟机受到《Java虚拟机规范》约束。《Java虚拟机规范》相当于API，而不同的Java虚拟机实现相当于Impl。
除了Java语言，Scala语言等也可以在Java虚拟机上运行，不同的语言都可以编译成字节码。Java受到《Java语言规范》的约束，规定如何声明类，创建方法等等。同理Scala语言也有《Scala语言规范》。
Java编译器同时受到《Java虚拟机规范》与《Java语言规范》的约束。
以下大部分内容基于周志明的《深入理解Java虚拟机 第三版》，第三版相比前面更新了很多知识点。pdf版本已经上传到网盘，微信扫码关注获取网盘地址和提取码
二、运行时数据区
根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如下图所示：
2.1 先记忆此图【运行时数据区】3分钟
直到可以自己将此图画出为止，在线画图可以借助ProcessOn。
背诵：
运行时数据区分为所有线程共享区域、线程隔离（也叫线程独占）的区域两部分。
共享区域分为方法区和堆（1.8中称为元数据，后面详细解释）。
线程隔离（也叫独占）区域，包括虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器。（2栈1计数）
运行时数据区，关联执行引擎，本地库接口，本地库接口关联本地方法库。
2.2 运行时数据区概念理解
Java虚拟机在实行Java程序的过程中，会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。有些区域是随着虚拟机进程启动而存在，有些是依赖用户线程来建立和销毁。
这里大家可以思考下，常说的垃圾回收主要是在哪片内存区域呢？
2.3 程序计数器
英文要知道Program Counter Register 。
由于Java虚拟机的多线程，是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的。一核的处理器只会执行一条线程中的指令。
那如果这次处理器分配时间太短，线程指令还未结束完，那等处理器第二次执行时，就需要知道第一次执行到哪里才行。
程序计数器，是一块比较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器，保证线程切换后可以继续执行。
**在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时，就是通过改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。
每一个线程都会有自己的程序计数器，大家互不干扰。所以程序计数器，是在线程独占（线程隔离）区域
- 如果线程执行的是Java方法，则程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；
- 如果线程执行的是Native方法，则程序计数器值为Undefined；
- 程序计数器所在内存区域，是个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError的区域。
2.4 Java虚拟机栈
Java Virtual Machine Stacks
- 线程私有的，生命周期与线程相同。
- 描述了Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候，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。
- 每个方法被调用直至执行完成，就对应一个栈帧在虚拟机栈从入栈到出栈的过程。
- 之前书本上的堆栈，“栈”就是对应的Java虚拟机栈中的局部变量表部分。
- 局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型，对象引用，和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。这些数据类型在局部变量表中存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据占用2个局部变量槽，其余数据类型占用1个。
- 局部变量表所需的内存空间，编译期间完成分配，方法运行时不会改变局部变量表的大小。这里的大小指的是槽的数量，至于每个槽占用多少个bit，是虚拟机来决定的。
- Java虚拟规范中，对这个区域规定了两种异常情况：
a、如果线程请求的栈深入大于虚拟机所允许的深度，则会抛出StackOverflowError异常。
b、如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展到无法申请足够的内存时，会抛出OutOfMemoryError异常。
注意：Java虚拟机栈也会出现OutOfMemoryError异常
2.5 本地方法栈
Native Method Stacks
- 与虚拟机栈作用相似，虚拟机栈为执行Java方法服务，本地方法栈为虚拟机使用的Native方法服务。
- 本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
2.6 Java堆
Java Heap
- 是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，被所有线程共享的一块内存区域。几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
- 虚拟机启动时创建，唯一目的就是存放对象实例。
- Java堆是垃圾回收管理的主要区域。
- 不少资料中写着Java虚拟机的堆内存分为新生代，老年代，永久代，Eden，Survivor，十年前（以G1收集器的出现为分界），HotSpot虚拟机内部的垃圾收集器全部基于“经典分代”来设计，需要新生代、老年代收集器搭配才能工作。这种说法还时不会产生太多歧义，但是到了今天，HostSpot里也出现了不采用分代设计的垃圾收集器，再按照这个说法就很多需要商榷的地方。
- Java堆可以是物理上不连续的内存空间，只要逻辑连续就可以。
- -Xmx最大值 -Xms最小值
2.7 方法区
Method Area
- 与Java堆一样，是各个线程的共享区域。
- 用于存储已经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。
- 还有一个别名叫Non-Heap（非堆），目的是与Java堆区分开来。
- 永久代（Permanent Generation） 并不等价于方法区，永久代是方法区实现的一种方式。仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队，把GC分代收集扩展到了方法区，对于其他虚拟机是不存在永久代的概念的。
- 永久代实现方法区容易导致内存溢出问题-XX:MaxPermSize上限，即使不设置也有默认值。JDK8中，完全废弃了永久代的概念，改为在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来替代。
- Java虚拟机规范，对这个区域限制非常宽松。不仅不需要连续的内存，还可以选择部不实现垃圾回收。
- 垃圾回收在这个区域很少存在，但是并不意味真的永久存在了。这个区域主要针对常量池的回收和对类型的卸载。
- 当方法区无法满足内存分配需求，将抛出OutOfMemoryError异常。
2.8 运行时常量池
Runtime Constant Pool
- 运行时常量池是方法区的一部分。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存放到方法区的常量池中。
- 字面量和符号引用等后面会详细介绍。
- 运行时常量池，对于Class文件常量池，最重要特征是具备动态性，运行期间也可能将新的常量放入池中。例如String类的intern()方法，具体可以参考博客：https://blog.csdn.net/tyyking/article/details/82496901
- 常量池无法再申请到内存时也会抛出OutOfMemoryError异常。
2.9 直接内存
Direct Memory
- 并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。
- 频繁使用，也可能导致OutOfMemoryError异常。
- JDK1.4新增了NIO类，引入基于通道与缓冲区的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堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。
- 在一些场景显著提高性能，避免了再Java堆和Native堆中来回复制数据。
- 要避免配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数，忽略了直接内存，使得各个区域的内存综合大于物理内存限制和操作系统限制，从而导致动态扩展出现OOM。
三、阶段总结
本篇博客名词，理论部分比较多。
初学需要大家强化记忆，后面等学完所有的虚拟机相关知识后，这些概念才会深入理解。
现在我们回忆一下，Java虚拟机运行时数据区有哪些组成部分？并分别用一句话重点概括：
- Java虚拟机运行时数据区，分为线程共享区域，线程独占区域。
- 线程共享区域有方法区，和堆。（1.8称为元数据）
- 线程独占区域有Java虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器。
- 执行引擎关联本地库接口，本地库接口关联本地方法库。
博客内容大部分来自《深入学习Java虚拟机 第三版》一书。
下一篇博客，我们会介绍对象再HostSpot虚拟机中如何创建，布局访问的，谢谢大家。
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