面试笔记——JVM组成

基本介绍

JVM: Java Virtual Machine Java程序的运行环境（java二进制字节码的运行环境）

使用JVM的好处：

• 一次编写，到处运行
• 自动内存管理，垃圾回收机制

JVM的组成及运行流程：

程序计数器

程序计数器：线程私有的，内部保存的字节码的行号。用于记录正在执行的字节码指令的地址。
javap -v xx.class —— 打印堆栈大小，局部变量的数量和方法的参数。

Java堆

Java堆是线程共享的区域，主要用来保存对象实例，数组等，当堆中没有内存空间可分配给实例，也无法再扩展时，则抛出OutOfMemoryError异常。

Java8的内存结构：

Java7的内存结构：

元空间保存的类信息、静态变量、常量、编译后的代码。在Java8之后，把堆的方法区/永久代（主要存放类、常量信息）放在了本地内存中，用元空间替代。这样做，可以避免随着动态类加载的情况越来越多导致的OOM。
总结，Jdk1.7和1.8的区别：

• 1.7中有有一个永久代，存储的是类信息、静态变量、常量、编译后的代码。
• 1.8移除了永久代，把数据存储到了本地内存的元空间中，防止内存溢出。

堆空间：

• 年轻代被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区，根据JVM的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象将被移动到老年代区间。
• 老年代主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象。

虚拟机栈

Java Virtual machine Stacks (java 虚拟机栈)

• 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈，先进后出
• 每个栈由多个栈帧（frame）组成，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那个方法

相关问题一：垃圾回收是否涉及栈内存？
答：垃圾回收主要指的是对内存，当栈帧弹栈之后，栈内存就会自动释放，因此垃圾回收不涉及栈内存。

相关问题二：栈内存分配越大越好吗？
答：未必，默认的栈内存通常为1024k。栈帧过大会导致线程数变少，例如，机器总内存为512m，目前能活动的线程数则为512个，如果把栈内存改为2048k，那么能活动的栈帧就会减半。

相关问题三：方法内的局部变量是否线程安全？
答：如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的；如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全，如图：

栈内存溢出——java.lang.StackOverflowError：

• 情况一：栈帧过多导致栈内存溢出，典型问题——递归调用
• 情况二：栈帧过大导致栈内存溢出

堆栈的区别：

• 栈内存一般会用来存储局部变量和方法调用，但堆内存是用来存储Java对象和数组的的。堆会GC垃圾回收，而栈不会。
• 栈内存是线程私有的，而堆内存是线程共有的。
• 两者异常错误不同，但如果栈内存或者堆内存不足都会抛出异常。
  • 栈空间不足：java.lang.StackOverFlowError。
  • 堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError。

方法区

方法区(Method Area)是各个线程共享的内存区域，主要存储类的信息、运行时常量池，虚拟机启动的时候创建，关闭虚拟机时释放，如果方法区域中的内存无法满足分配请求，则会抛出OutOfMemoryError: Metaspace。

方法区的存储方式：

常量池： 可以看作是一张表，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、字面量等信息。
查看字节码结构（类的基本信息、常量池、方法定义）：javap -v xxxx.class
demo:

import jdk.internal.org.objectweb.asm.ClassWriter;
import jdk.internal.org.objectweb.asm.Opcodes;

/**
 * 演示元空间内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
 * -XX:MaxMetaspaceSize=8m
 */
public class MetaspaceDemo extends ClassLoader { // 可以用来加载类的二进制字节码
    public static void main(String[] args) {
        MetaspaceDemo test = new MetaspaceDemo();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            // ClassWriter 作用是生成类的二进制字节码
            ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
            // 版本号， public， 类名, 包名, 父类， 接口
            cw.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);
            // 返回 byte[]
            byte[] code = cw.toByteArray();
            // 执行了类的加载
            test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length); // Class 对象
        }
    }
}

设置元空间大小：

运行时常量池： 常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，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。

直接内存

直接内存：并不属于JVM中的内存结构，不由JVM进行管理。是虚拟机的系统内存，常见于 NIO 操作时，用于数据缓冲，它分配回收成本较高，但读写性能高。

举例——使用java进行文件拷贝：

常规IO数据拷贝流程：

在进行数据的IO操作时，数据要经历两个读取操作——第一次，数据从磁盘读取到系统缓存区；第二次，才能将系统缓冲区的数据读取到java缓冲区（java代码本身访问不到系统缓存区），之后，java代码才能继续对数据进行操作。

NIO数据拷贝流程：

在NIO进行操作时，从系统中划分一块直接内存作为缓冲区，java代码可以直接访问这块区域的数据，相比上边的IO操作，少了一次数据复制操作。