JVM

JVM

PS:JVM部分参考了《深入理解Java虚拟机 - 第二版》(周志明). 个人认为《深入理解Java虚拟机 - 第二版》上的部分内容已经过时 有些知识请各位同学明鉴，此外我后续会根据 《深入理解Java虚拟机 - 第三版》的内容来做更新和修改。

JVM运行时内存分区

以HotSpot为例:

JDK8之前:

线程私有的部分有:程序计数器(PC寄存器),JAVA虚拟机栈,本地方法栈(native)。

线程共享部分有: GC堆,永久代(是方法区的一种实现)。

JDK8之后:

线程私有的部分不变, 线程共享部分的永久代改为了元空间(MetaSpace) (永久代和元空间都是方法区的实现),字符串常量池也移动到了heap空间

程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用是作为当前线程执行的字节码的行号计数器。 当字节码解释器工作时，通过改变行号计数器的值来选取下一条要执行的字节码指令。 分支，循环，跳转，异常处理，线程恢复等功能都需要依赖程序计数器完成。

程序计数器是属于线程私有的部分。 当cpu在多个线程之间切换执行时，需要记录下当前线程执行的字节码的位置， 以便下次切换回当前线程时，能够继续执行字节码指令， 所以每个线程都需要有自己的程序计数器。

如果当前线程执行的是java方法，那么程序计数器记录的是字节码指令的地址。

如果当前线程执行的native方法，那么程序计数器记录的值为空(undefined)。

程序计数器这部分内存区域是JVM中唯一不会出现OOM错误的区域

程序计数器的生命周期与线程相同,即程序计数器随着线程创建而创建， 随着线程的销毁而销毁。

使用 javap -c 反编译class文件后的代码如下, 红框里的就是字节码的偏移地址:

Java虚拟机栈与程序计数器一样，都是线程私有的部分，生命周期也跟线程一样。

Java虚拟机栈描述的是Java方法运行时的内存模型，它由一个一个的栈帧组成。

栈帧是用于支持Java方法运行时的数据结构。 栈帧包含了局部变量表，操作数栈，动态连接，方法出口等信息。 每个方法执行时，都会在java虚拟机栈中创建一个栈帧。 对方法的调用和返回，就对应着栈帧的入栈和出栈的过程。

Java虚拟机栈:

局部变量表用于存储方法参数和方法内定义的局部变量。 局部变量表存放了各种已知的数据类型的变量。 一个局部变量的类型可以是基本数据类型 (int,short,float,double,boolean,long,byte,char)或引用类型(reference)。 在Java代码被编译成class字节码后，方法Code属性的locals就确定了方法的局部变量表的大小。 局部变量表以slot为最小单位，一个slot代表4个字节，也就是32位长度的大小。

操作数栈是一个后进先出(LIFO)的数据结构。 它存储的是方法在进行数据运算时的元素。 和局部变量表一样，操作数栈的每个元素的类型也可以是基本数据类型和引用类型。 操作数栈的深度不会超过 Code属性的stack值。

使用javap -c 反编译class文件后可以得到的字节码指令如下:

了解动态连接首先需要了解符号引用和直接引用

符号引用: 符号引用存于Class文件常量池。分为类的全限定名，方法名和描述符，字段名和描述符。

直接引用: 指向目标的指针，可以简单理解为目标的内存地址(如指向类的字段的内存地址)。

Class文件常量池如下(javap -c 反编译class文件后的字节码):

在虚拟机栈中，每个栈帧都包含了一个该栈帧所属方法的符号引用， 持有这个符号引用的目的是为了支持方法调用过程中的动态连接。 这些符号引用有的一部分会在JVM类解析阶段就会转为直接引用，这部分转换成为静态解析。 还有一部分会在运行时转为直接引用，这部分称为动态连接。

当方法执行时，有2种方式可以退出该方法。

正常退出: 当方法执行时，执行到return指令，该方法就会正常退出。 一般来说，方法正常退出时，调用线程的程序计数器的值可以作为方法返回的地址， 栈帧中可能会保存这个计数器的值。

异常退出: 在方法执行过程中遇到了异常，并且方法内部没有处理这个异常，就会导致方法退出。 方法异常退出时，返回地址需要通过异常处理器表来确定的，栈帧中不会保存这部分值。

无论何种退出方式，在方法退出后，都需要回到方法被调用的位置，程序才能继续执行。

本地方法栈与虚拟机栈的作用是相似的， 不过虚拟机栈是为执行Java方法提供服务的， 本地方法栈视为执行native方法提供服务的。 在本地方法执行的时候，也会在本地方法栈中创建栈帧， 用于存放该本地方法的局部变量表，操作数栈，动态连接和方法返回地址等信息。

堆是JVM中内存占用最大的一块区域，它是所有线程共享的一块区域。 堆的作用是为对象分配内存并存储和回收它们。 堆是垃圾回收的主要区域，所以堆区也被成为GC堆。

堆区可以划分为 新生代(Young Generation),老年代(Old Generation) 和 永久代(Permanent Generation),但永久代已被元空间代替, 元空间存储的是类的元信息，几乎不可能发生GC。

新生代再细分可以分为: Eden空间，From Survivor空间和To Survivor空间。

缺省状态下新生代占堆区的 1/3,老年代占堆区的2/3， eden空间占新生代的80%,2个Survivor空间栈新生代的20%, FromSurvivor和ToSurvivor的空间占比为1:1。

(通过-XX:NewRatio参数可以调整新生代和老年代的空间占比) (通过-XX:SurvivorRatio参数可以调整eden和survivor的空间占比)

发生在新生代的GC叫做Young GC或Minor GC, 发生在老年代的GC叫做Old GC或Major GC

堆:

PS: FromSurvivor和ToSurvivor这两块内存空间并不是固定的， 在进行GC的时候，这两块内存会轮流替换使用。这部分内容参考GC部分。

PS: 有的文章说 Full GC与Major GC一样是属于对老年代的GC， 也有的文章说 Full GC 是对整个堆区的GC，所以这点需要各位同学自行分辨Full GC语义。 见: 知乎讨论

方法区在JVM规范里也是各个线程共享的一部分区域， 它用于存储已被jvm加载的类的元信息，运行时常量池等数据。

HotSpot虚拟机对于方法区的实现在jdk8之前为永久代，在jdk8之后， HotSpot移除了永久代，新增了元空间。

元空间使用的是本地内存，所以元空间仅受本地物理内存的限制。 元空间存储着已被加载的类的方法描述，字段描述，运行时常量池等信息。

字符串常量池在jdk7已经从永久代转移到了堆内存之中。

无论是永久代还是元空间，都有可能发生OOM。

JavaVirtualMachineError

当前线程执行或请求的栈的大小超过了Java 虚拟机栈的最大空间(比如递归嵌套调用太深),就可能出现StackOverflowError错误

发生OOM的情况:

java heap space

当需要为对象分配内存时，堆空间占用已经达到最大值， 无法继续为对象分配内存，可能会出现OOM: java heap space错误。

Requested array size exceeds VM limit

当为数组分配内存时，数组需要的容量超过了虚拟机的限制范围， 就会抛出OOM: Requested array size exceeds VM limit。

根据我的测试（jdk11/jdk14），Integer.MAX_VALUE - 2 是虚拟机能为数组分配的最大容量，当数组长度为 Integer.MAX_VALUE - 1 时就会抛出 OOM：Requested array size exceeds VM limit

GC overhead limit exceed

垃圾回收器花费了很长时间GC,但是GC回收的内存非常少, 就可能抛出OOM:GC overhead limit exceed 错误。

但是这点在我的机器上测试不出来,可能与jdk版本或gc收集器或Xmx分配内存的大小有关, 一直抛出的是java heap space

Direct buffer memory

当程序分配了超额的本地物理内存(native memory/ direct buffer)， minor gc(young gc)并不会回收这部分内存， 只有 full gc才会回收直接内存，如果不发生full gc， 但直接内存却被使用完了，那么可能会发生 OOM: Direct buffer memory。

unable to create new native thread

操作系统的线程资源是有限的， 如果程序创建的线程资源太多(无需超过平台限制的线程资源上限)， 就可能发生 OOM: unable to create new native thread 错误。

Metaspace

当加载到元空间中的类的信息太多，就有可能导致 OOM : Metaspace。

使用cglib的库，可以动态生成class，所以可以使用cglib测试此错误。

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