运行时数据区Runtime Date Area运行时数据区主要用的就是内存这里先说一下内存的概念内存是非常重要的操作系统资源是硬盘和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。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。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。结合JVM虚拟机规范来探讨一下经典的JVM内存布局。Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区其中有一些会随着虚拟启动而创建随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。灰色的为单独线程私有的红色的为多个线程共享的。即:每个线程:独立包括程序计数器、栈、本地栈。线程间共享:堆、堆外内存(永久代或元空间、代码缓存) (堆外内存就是方法区一个进程有五个线程意味着有五组程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈五组线程共用方法区和堆空间一个JVM实例对应一个Runtime实例。 Runtime运行时环境即Runtime Date Area线程:线程是一个程序里的运行单元。JVM允许一个应用有多个线程并行的执行。在Hotspot JVM里每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。当一个Java线程准备好执行以后此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后本地线程也会回收。操作系统负责所有线程的安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功它就会调用Java线程中的run()方法。程序计数器Program Counter Register也称为PC寄存器JVM中的程序计数寄存器(program counter Register)中Register 的命名源于CPU的寄存器寄存器存储指令相关的现场信息CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。这里并非是广义上所指的物理寄存器或许将其翻译为PC计数器(或指令计数器)会更加贴切(也称为程序钩子)并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。-软件层面的一个概念可以理解为行号指示器执行完上一行代码以后下一行该执行谁了由程序计数器做一个记录。作用PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址也就是即将要执行的指令代码由执行引擎读取下一条指令。PC Register 介绍它是一块很小的内存空间几乎可以忽略不记存储下一条指令的地址。也是运行速度最快的存储区域。在JVM规范中每个线程都有它自己的程序计数器是线程私有的生命周期与线程的生命周期保持一致。任何时间一个线程都只有一个方法在执行也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址;或者如果是在执行native方法则是未指定值(undefined)因为native方法就是C方法所以显示不出来。它是程序控制流的指示器分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。它是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何0utofMemoryError情况的区域。常见问题面试常见问题使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢有女朋友有什么好处为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢为什么要有女朋友因为CPU需要不停的切换各个线程这时候切换回来以后就得知道接着从哪里开始继续执行。JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。PC寄存器为什么会被设定为线程私有为什么每一个线程一份我们都知道所谓的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法CPU会不停地做任务切换这样必然导致经常中断或恢复如何保证分毫无差呢?为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器这样一来各个线程之间便可以进行独立计算从而不会出现相互干扰的情况。由于CPU时间片轮限制众多线程在并发执行过程中任何一个确定的时刻一个处理器或者多核处理器中的一个内核只会执行某个线程中的一条指令。这样必然导致经常中断或恢复如何保证分毫无差呢?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在各个线程之间互不影响。CPU时间片线程抢占CPU的执行权CPU时间片即CPU分配给各个程序的时间每个线程被分配一个时间段称做它的时间片。在宏观上我们可以同时打开多个应用程序每个程序并行不悖同时运行。但在微观上由于只有一个CPU一次只能处理程序要求的一部分如何处理公平一种方法就是引入时间片每个程序轮流执行。虚拟机栈java Virtual Machine Stacks重点出现的背景由于跨平台性的设计java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台指令集小编译器容易实现缺点是性能下降实现同样的功能需要更多的指令。内存中的堆与栈栈是运行时的单位而堆是存储的单位。即栈解决程序的运行问题即程序如何执行或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题即数据怎么放放在哪。栈管运行堆管存储堆空间是运行时数据区中最大的区域。先不考虑方法区虚拟机栈基本内容java虚拟机栈是什么Java虚拟机栈java Virtual Machine Stacks早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈其内部保存一个个的栈帧Stack Frame对应着一次次的java方法调用。是线程私有的。生命周期生命周期和线程一致。作用主管java程序的运行它保存方法的局部变量、部分结果并参与方法的调用和返回。栈的特点优点栈是一种快速有效的分配存储方式访问速度仅次于程序计数器。JVM直接对java栈的操作只有俩个每个方法执行伴随着进栈入栈、压栈执行结束后的出栈操作对于栈来说不存在垃圾回收问题栈中可能出现的异常Java 虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。如果采用固定大小的Java虚拟机栈那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。如果Java虚拟机栈可以动态扩展并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈那Java虚拟机将会抛出一个outofMemoryErrorOOM异常。栈中存储着什么每个线程都有自己的栈栈中的数据都是以栈帧Stack Frame的格式存在。在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧Stack Frame。栈帧是一个内存区块是一个数据集维系着方法执行执行过程中的各种数据信息。栈运行原理JVM直接对Java栈的操作只有两个就是对栈帧的压栈和出栈遵循“先进后出”/“后进先出”原则。在一条活动线程中一个时间点上只会有一个活动的栈。即只有当前正在执行的方法的栈帧(栈顶栈帧)是有效的这个栈被称为当前栈帧(Current Frame)与当前栈帧相对应的方法就是当前方法(Current Method)定义这个方法的类就是当前类(Current class)执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。如果在该方法中调用了其他方法对应的新的栈帧会被创建出来放在栈的顶端成为新的当前帧。不同的线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。如果当前方法调用了其他方法方法返回之际当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个战帧接着虚拟机会丢弃当前战帧使得前一个战帧重新成为当前战帧。java方法有俩种返回函数的方式一种是正常的函数返回使用return命令另外一种是抛出异常不管使用哪种方式不管使用哪种方式都会导致战帧被弹出。栈帧的内部结构一个栈帧对应着一个方法局部变量表、操作数栈或表达式栈、动态链接或指向运行时常量池的方法引用、方法返回地址或方法正常退出或者异常退出的定义、一些附加地址栈帧的大小取决于内部结构的大小局部变量表local variables1.局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表2.定义为一个数字数组主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用reference以及returnAddress类型。3.由于局部变量表是建立在线程的栈上是线程的私有数据因此不存在数据安全问题4.局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。局部变量表大小一旦确定下来就不会被更改5.方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说栈越大方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言它的参数和局部变量越多使得局部变量表膨胀它的栈帧就越大以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占用更多的栈空间导致其嵌套调用次数就会减少。6.局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束后随着方法栈帧的销毁局部变量表也会随之销毁。关于Slot的理解1.参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始到数组长度-1的索引结束。2.局部变量表最基本的存储单元是Slot变量槽3.局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型8种引用类型referencereturnAddress类型的变量。4.在局部变量表里32位以内的类型只占用一个slot包括returnAddress类型64位的类型long和double占用两个slot。byte、short、char在存储前被转换为intboolean也被转换为int0表示false非0表示true。long和double则占据两个Slot。5.JVM会为局部变量表中的每一个Slot都分配一个访问索引通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值6.当一个实例方法被调用的时候它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上 先是形参再是方法体内部定义的局部变量7.如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时只需要使用前一个索引即可。比如访问long或double类型变量8.如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的非静态方法那么该对象引用this将会存放在index为0的slot处其余的参数按照参数表顺序继续排列。private int num0 public static void testStaic() { Data data new Data(); int count 0; System.out.println(count count); //error无法引用this变量 因为this变量在静态方法中不能引用 //this变量不存在于当前方法的局部变量表中 //this-num 3; }Slot的重复利用栈帧中的局部变量表中的槽位slot是可以重用的如果一个局部变量过了其作用域那么在其作用域之后申明的新的局部变量就很有可能会复用过期局部变量的槽位从而达到节省资源的目的。public class SlotTest { public void localVar1() { int a 0; System.out.println(a); int b 0; } public void localVar2() { { int a 0; System.out.println(a); } //此时的b就会复用a的槽位 int b 0; } //对应上面图片中的代码例子 public void localVar3() { int a 0; { int b 0; b a 1 }//这里结束b变量的生命周期就已经结束了 //此时的c就会复用b的槽位 int c 0; } }静态变量与局部变量的对比1.参数表分配完毕之后再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。先为this还有形参分配2.我们知道类变量也就是静态变量表有两次初始化的机会第一次是在“准备阶段”执行系统初始化对类变量设置零值另一次则是在“初始化”阶段赋予程序员在代码中定义的初始值。3.和类变量初始化不同的是局部变量表不存在系统初始化的过程这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化否则无法使用。public void test() { int i; System.out.println(i); } //这样的代码是错误的没有赋值不能使用补充说明在栈帧中与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点只要被局部变量表中直接或者间接引用的对象都不会被回收。实例变量随着对象的创建会在堆空间中分配实例变量空间并进行默认赋值。操作数栈operand Stack1.每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外还包含一个后进先出Last - In - First - Out的操作数栈也可以称之为表达式栈Expression Stack。2.操作数栈在方法执行过程中根据字节码指令往栈中写入数据或提取数据即入栈push/出栈pop。3.某些字节码指令将值压入操作数栈其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈。- 比如执行复制、交换、求和等操作。4、如果被调用的方法带有返回值的话其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。5.操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配这由编译器在编译器期间进行验证同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。6.另外我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎其中的栈指的就是操作数栈。7.操作数栈主要用于保存计算过程的中间结果同时作为计算过程中变量临时的存储空间。8.操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区当一个方法刚开始执行的时候一个新的栈帧也会随之被创建出来这个方法的操作数栈是空的。9.每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值其所需的最大深度在编译期就定义好了保存在方法的Code属性中为max_stack的值。10. 栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型。- 32bit的类型占用一个栈单位深度- 64bit的类型占用两个栈单位深度11.操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的而是只能通过标准的入栈push和出栈pop操作来完成一次数据访问。栈顶缓存技术动态链接每一个栈帧内部都包含个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接(Dynamic Linking). 比: invokedynamic指令在Java源文件被编译到字节码文件中时所有的变量和方法引用都作为符号引用(symbolic Reference)保存在class文件的常量池里。比如:描述一个方法调用了另外的其他方法时就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。为什么需要常量池呢常量池的作用就是为了提供一些符号和常量便于指令的识别。方法的调用在JVM中将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关。静态链接:一个字节码文件被装载进JVM内部时如果被调用的目标方法在编译期可知且运行期保持不变时。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。动态链接:如果被调用的方法在编译期无法被确定下来也就是说只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用由于这种引用转换过程具备动态性因此也就被称之为动态链接对应的方法的绑定机制为:早期绑定(Early Binding)和晚期绑定(Late Binding)。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程这仅仅发生一次。早期绑定:早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知且运行期保持不变时即可将这个方法与所属的类型进行绑定这样一来由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。晚期绑定虚方法:如果被调用的方法在编译期无法被确定下来只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。随着高级语言的横空出世类似于Java一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别但是它们彼此之间始终保持着一个共性那就是都支持封装、继承和多态等面向对象特性既然这一类的编程语言具备多态特性那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种绑定方式。Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征它们相当于C语言中的虚函数(C中则需要使用关键字virtual来显式定义)。如果在Java程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时则可以使用关键字final来标记这个方法。虚方法和非虚方法非虚方法:如果方法在编译期就确定了具体的调用版本这个版木在运行时是不可变的这样的方法称为非虚方法。静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。其他方法称为虚方法。子类对象的多态性的使用前提1.类的继承关系 2.方法的重写虚拟机中提供了以下几条方法调用指令普通调用指令:1.invokestatic:调用静态方法解析阶段确定唯一方法版本2.invokespecial:调用init方法、私有及父类方法解析阶段确定唯一方法版本3.invokevirtual:调用所有虚方法4.invokeinterface:调用接口方法也是虚方法动态调用指令:5.invokedynamic:动态解析出需要调用的方法然后执行前四条指令固化在虚拟机内部方法的调用执行不可人为干预而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本。其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法其余的(final修饰的除外)称为虚方法。方法的调用:关于invokedynamic指令JVM字节码指令集一直比较稳定一直到Java7中才增加了一个invokedynamic指令这是Java为了实现『动态类型语言』支持而做的一种改进。但是在Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法需要借助ASM这种底层字节码工具来产生invokedynamic指令。直到Java8的Lambda表达式的出现invokedynamic指令的生成在Java中才有了直接的生成方式。Java7中增加的动态语言类型支持的本质是对Java虚拟机规范的修改而不是对Java语言规则的修改这一块相对来讲比较复杂增加了虚拟机中的方法调用最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言的编译器。动态类型语言和静态类型语言java语言属于静态类型的语言python属于动态类型的语言动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期满足前者就是静态类型语言反之是动态类型语言。说的再直白一点就是静态类型语言是判断变量自身的类型信息;动态类型语言是判断变量值的类型信息变量没有类型信息变量值才有类型信息这是动态语言的一个重要特征。随着java的迭代更新只是让java在一定程度上具备了动态语言的特点 java实质还是一个静态语言。方法的调用方法重写的本质1.找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型记作 C。2.如果在类型C中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法则进行访问权限校验如果通过则返回这个方法的直接引用查找过程结束;如果不通过则返回java.lang.IllegalAccessError非法访问 异常。3.否则按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。4.如果始终没有找到合适的方法则抛出 java.lang.AbstractMethodError异常一直找不到说明实现接口中的方法了接口中的方法也没写过。IllegalAccessError介绍:程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法这个属性或方法你没有权限访问。一般的这个会引起编译器异常。这个错误如果发生在运行时就说明一个类发生了不兼容的改变。虚方法表在面向对象的编程中会很频繁的使用到动态分派invoke virtual如果在每次动态分派的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能影响到执行效率。因此为了提高性能JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表(virtual method table)(非虚方法不会出现在表中)来实现。使用索引表来代替查找。每个类中都有一个虚方法表表中存放着各个方法的实际入口。那么虚方法表什么时候被创建?虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化类的变量初始值准备完成之后JVM会把该类的方法表也初始化完毕。将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程发生在类加载子系统的链接阶段中的解析环节方法返回地址Return Address记录的就是PC寄存器存储的值1.存放调用该方法的pc寄存器要执行的下一条指令的地址的值。2.一个方法的结束有两种方式:正常执行完成出现未处理的异常非正常退出3.无论通过哪种方式退出在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时调用者的pc计数器的值作为返回地址即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的返回地址是要通过异常表来确定栈帧中一般不会保存这部分信息。本质上方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等让调用者方法继续执行下去。正常完成出口和异常完成出口的区别在于通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。一些附加信息可选的局部变量表 方法返回地址 操作数栈 动态链接是一定有的栈帧中还允许携带与java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如对程序调试提供支持的信息。虚拟机栈的5道面试题举例栈溢出的情况StackOverflow?通过-Xss设置栈的大小调整栈大小就能保证不出现溢出吗?不能分配的栈内存越大越好吗?不是垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈?不会的 只存在error 不存在GC 只有入栈出栈操作方法中定义的局部变量是否线程安全?具体情况 具体分析本地方法栈Native Method Stack本地方法栈主要是跟本地方法接口和本地方法库打交道的。1.Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用而本地方法栈用于管理本地方法的调用2.本地方法栈也是线程私有的3.允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。(在内存溢出方面是相同的)如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量Java虚拟机将会抛出一个 StackoverflowError 异常。如果本地方法栈可以动态扩展并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈那么Java虚拟机将会抛出一outofMemoryError异常4.本地方法是使用C语言C或C实现的。5.它的具体做法是Native Method Stack中登记 native方法在Execution Engine 执行时加载本地方法库。6.当某个线程调用一个本地方法时它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器。直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。7.并不是所有的JVM都支持本地方法。因为Java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果JVM产品不打算支持native方法也可以无需实现本地方法栈。在Hotspot JVM中直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。堆Heap 最重要的堆的核心概述一个java程序对应一个进程,一个进程对应一个JVM实例一个JVM实例对应一个Runtime Data Area运行时数据区。一个进程拥有一份堆内存和一个方法区多个线程共享堆内存和方法区。一个JVM实例只存在一个堆内存堆也是Java内存管理的核心区域。Java堆区在JVM启动的时候即被创建其空间大小也就确定了。是JVM管理的最大一块内存空间。堆内存的大小是可以调节的。《Java虚拟机规范》规定堆可以处于物理上不连续的内存空间中但在逻辑上它应该被视为连续的。所有的线程共享Java堆在这里还可以划分线程私有的缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, TLAB).
JVM学习总结（三）运行时数据区
发布时间：2026/5/20 8:36:23
运行时数据区Runtime Date Area运行时数据区主要用的就是内存这里先说一下内存的概念内存是非常重要的操作系统资源是硬盘和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。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。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。结合JVM虚拟机规范来探讨一下经典的JVM内存布局。Java虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区其中有一些会随着虚拟启动而创建随着虚拟机退出而销毁。另外一些则是与线程一一对应的这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。灰色的为单独线程私有的红色的为多个线程共享的。即:每个线程:独立包括程序计数器、栈、本地栈。线程间共享:堆、堆外内存(永久代或元空间、代码缓存) (堆外内存就是方法区一个进程有五个线程意味着有五组程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈五组线程共用方法区和堆空间一个JVM实例对应一个Runtime实例。 Runtime运行时环境即Runtime Date Area线程:线程是一个程序里的运行单元。JVM允许一个应用有多个线程并行的执行。在Hotspot JVM里每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。当一个Java线程准备好执行以后此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后本地线程也会回收。操作系统负责所有线程的安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功它就会调用Java线程中的run()方法。程序计数器Program Counter Register也称为PC寄存器JVM中的程序计数寄存器(program counter Register)中Register 的命名源于CPU的寄存器寄存器存储指令相关的现场信息CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。这里并非是广义上所指的物理寄存器或许将其翻译为PC计数器(或指令计数器)会更加贴切(也称为程序钩子)并且也不容易引起一些不必要的误会。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。-软件层面的一个概念可以理解为行号指示器执行完上一行代码以后下一行该执行谁了由程序计数器做一个记录。作用PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址也就是即将要执行的指令代码由执行引擎读取下一条指令。PC Register 介绍它是一块很小的内存空间几乎可以忽略不记存储下一条指令的地址。也是运行速度最快的存储区域。在JVM规范中每个线程都有它自己的程序计数器是线程私有的生命周期与线程的生命周期保持一致。任何时间一个线程都只有一个方法在执行也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的Java方法的JVM指令地址;或者如果是在执行native方法则是未指定值(undefined)因为native方法就是C方法所以显示不出来。它是程序控制流的指示器分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。它是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何0utofMemoryError情况的区域。常见问题面试常见问题使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢有女朋友有什么好处为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢为什么要有女朋友因为CPU需要不停的切换各个线程这时候切换回来以后就得知道接着从哪里开始继续执行。JVM的字节码解释器就需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令。PC寄存器为什么会被设定为线程私有为什么每一个线程一份我们都知道所谓的多线程在一个特定的时间段内只会执行其中某一个线程的方法CPU会不停地做任务切换这样必然导致经常中断或恢复如何保证分毫无差呢?为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器这样一来各个线程之间便可以进行独立计算从而不会出现相互干扰的情况。由于CPU时间片轮限制众多线程在并发执行过程中任何一个确定的时刻一个处理器或者多核处理器中的一个内核只会执行某个线程中的一条指令。这样必然导致经常中断或恢复如何保证分毫无差呢?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在各个线程之间互不影响。CPU时间片线程抢占CPU的执行权CPU时间片即CPU分配给各个程序的时间每个线程被分配一个时间段称做它的时间片。在宏观上我们可以同时打开多个应用程序每个程序并行不悖同时运行。但在微观上由于只有一个CPU一次只能处理程序要求的一部分如何处理公平一种方法就是引入时间片每个程序轮流执行。虚拟机栈java Virtual Machine Stacks重点出现的背景由于跨平台性的设计java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台指令集小编译器容易实现缺点是性能下降实现同样的功能需要更多的指令。内存中的堆与栈栈是运行时的单位而堆是存储的单位。即栈解决程序的运行问题即程序如何执行或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题即数据怎么放放在哪。栈管运行堆管存储堆空间是运行时数据区中最大的区域。先不考虑方法区虚拟机栈基本内容java虚拟机栈是什么Java虚拟机栈java Virtual Machine Stacks早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈其内部保存一个个的栈帧Stack Frame对应着一次次的java方法调用。是线程私有的。生命周期生命周期和线程一致。作用主管java程序的运行它保存方法的局部变量、部分结果并参与方法的调用和返回。栈的特点优点栈是一种快速有效的分配存储方式访问速度仅次于程序计数器。JVM直接对java栈的操作只有俩个每个方法执行伴随着进栈入栈、压栈执行结束后的出栈操作对于栈来说不存在垃圾回收问题栈中可能出现的异常Java 虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。如果采用固定大小的Java虚拟机栈那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。如果Java虚拟机栈可以动态扩展并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈那Java虚拟机将会抛出一个outofMemoryErrorOOM异常。栈中存储着什么每个线程都有自己的栈栈中的数据都是以栈帧Stack Frame的格式存在。在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧Stack Frame。栈帧是一个内存区块是一个数据集维系着方法执行执行过程中的各种数据信息。栈运行原理JVM直接对Java栈的操作只有两个就是对栈帧的压栈和出栈遵循“先进后出”/“后进先出”原则。在一条活动线程中一个时间点上只会有一个活动的栈。即只有当前正在执行的方法的栈帧(栈顶栈帧)是有效的这个栈被称为当前栈帧(Current Frame)与当前栈帧相对应的方法就是当前方法(Current Method)定义这个方法的类就是当前类(Current class)执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。如果在该方法中调用了其他方法对应的新的栈帧会被创建出来放在栈的顶端成为新的当前帧。不同的线程中所包含的栈帧是不允许存在相互引用的即不可能在一个栈帧之中引用另外一个线程的栈帧。如果当前方法调用了其他方法方法返回之际当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个战帧接着虚拟机会丢弃当前战帧使得前一个战帧重新成为当前战帧。java方法有俩种返回函数的方式一种是正常的函数返回使用return命令另外一种是抛出异常不管使用哪种方式不管使用哪种方式都会导致战帧被弹出。栈帧的内部结构一个栈帧对应着一个方法局部变量表、操作数栈或表达式栈、动态链接或指向运行时常量池的方法引用、方法返回地址或方法正常退出或者异常退出的定义、一些附加地址栈帧的大小取决于内部结构的大小局部变量表local variables1.局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表2.定义为一个数字数组主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用reference以及returnAddress类型。3.由于局部变量表是建立在线程的栈上是线程的私有数据因此不存在数据安全问题4.局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。局部变量表大小一旦确定下来就不会被更改5.方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说栈越大方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言它的参数和局部变量越多使得局部变量表膨胀它的栈帧就越大以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占用更多的栈空间导致其嵌套调用次数就会减少。6.局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束后随着方法栈帧的销毁局部变量表也会随之销毁。关于Slot的理解1.参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始到数组长度-1的索引结束。2.局部变量表最基本的存储单元是Slot变量槽3.局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型8种引用类型referencereturnAddress类型的变量。4.在局部变量表里32位以内的类型只占用一个slot包括returnAddress类型64位的类型long和double占用两个slot。byte、short、char在存储前被转换为intboolean也被转换为int0表示false非0表示true。long和double则占据两个Slot。5.JVM会为局部变量表中的每一个Slot都分配一个访问索引通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值6.当一个实例方法被调用的时候它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上 先是形参再是方法体内部定义的局部变量7.如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时只需要使用前一个索引即可。比如访问long或double类型变量8.如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的非静态方法那么该对象引用this将会存放在index为0的slot处其余的参数按照参数表顺序继续排列。private int num0 public static void testStaic() { Data data new Data(); int count 0; System.out.println(count count); //error无法引用this变量 因为this变量在静态方法中不能引用 //this变量不存在于当前方法的局部变量表中 //this-num 3; }Slot的重复利用栈帧中的局部变量表中的槽位slot是可以重用的如果一个局部变量过了其作用域那么在其作用域之后申明的新的局部变量就很有可能会复用过期局部变量的槽位从而达到节省资源的目的。public class SlotTest { public void localVar1() { int a 0; System.out.println(a); int b 0; } public void localVar2() { { int a 0; System.out.println(a); } //此时的b就会复用a的槽位 int b 0; } //对应上面图片中的代码例子 public void localVar3() { int a 0; { int b 0; b a 1 }//这里结束b变量的生命周期就已经结束了 //此时的c就会复用b的槽位 int c 0; } }静态变量与局部变量的对比1.参数表分配完毕之后再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。先为this还有形参分配2.我们知道类变量也就是静态变量表有两次初始化的机会第一次是在“准备阶段”执行系统初始化对类变量设置零值另一次则是在“初始化”阶段赋予程序员在代码中定义的初始值。3.和类变量初始化不同的是局部变量表不存在系统初始化的过程这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化否则无法使用。public void test() { int i; System.out.println(i); } //这样的代码是错误的没有赋值不能使用补充说明在栈帧中与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表。在方法执行时虚拟机使用局部变量表完成方法的传递。局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点只要被局部变量表中直接或者间接引用的对象都不会被回收。实例变量随着对象的创建会在堆空间中分配实例变量空间并进行默认赋值。操作数栈operand Stack1.每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表以外还包含一个后进先出Last - In - First - Out的操作数栈也可以称之为表达式栈Expression Stack。2.操作数栈在方法执行过程中根据字节码指令往栈中写入数据或提取数据即入栈push/出栈pop。3.某些字节码指令将值压入操作数栈其余的字节码指令将操作数取出栈。使用它们后再把结果压入栈。- 比如执行复制、交换、求和等操作。4、如果被调用的方法带有返回值的话其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。5.操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配这由编译器在编译器期间进行验证同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。6.另外我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎其中的栈指的就是操作数栈。7.操作数栈主要用于保存计算过程的中间结果同时作为计算过程中变量临时的存储空间。8.操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区当一个方法刚开始执行的时候一个新的栈帧也会随之被创建出来这个方法的操作数栈是空的。9.每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值其所需的最大深度在编译期就定义好了保存在方法的Code属性中为max_stack的值。10. 栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型。- 32bit的类型占用一个栈单位深度- 64bit的类型占用两个栈单位深度11.操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的而是只能通过标准的入栈push和出栈pop操作来完成一次数据访问。栈顶缓存技术动态链接每一个栈帧内部都包含个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接(Dynamic Linking). 比: invokedynamic指令在Java源文件被编译到字节码文件中时所有的变量和方法引用都作为符号引用(symbolic Reference)保存在class文件的常量池里。比如:描述一个方法调用了另外的其他方法时就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。为什么需要常量池呢常量池的作用就是为了提供一些符号和常量便于指令的识别。方法的调用在JVM中将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关。静态链接:一个字节码文件被装载进JVM内部时如果被调用的目标方法在编译期可知且运行期保持不变时。这种情况下将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称之为静态链接。动态链接:如果被调用的方法在编译期无法被确定下来也就是说只能够在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用由于这种引用转换过程具备动态性因此也就被称之为动态链接对应的方法的绑定机制为:早期绑定(Early Binding)和晚期绑定(Late Binding)。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程这仅仅发生一次。早期绑定:早期绑定就是指被调用的目标方法如果在编译期可知且运行期保持不变时即可将这个方法与所属的类型进行绑定这样一来由于明确了被调用的目标方法究竟是哪一个因此也就可以使用静态链接的方式将符号引用转换为直接引用。晚期绑定虚方法:如果被调用的方法在编译期无法被确定下来只能够在程序运行期根据实际的类型绑定相关的方法这种绑定方式也就被称之为晚期绑定。随着高级语言的横空出世类似于Java一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别但是它们彼此之间始终保持着一个共性那就是都支持封装、继承和多态等面向对象特性既然这一类的编程语言具备多态特性那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种绑定方式。Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征它们相当于C语言中的虚函数(C中则需要使用关键字virtual来显式定义)。如果在Java程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时则可以使用关键字final来标记这个方法。虚方法和非虚方法非虚方法:如果方法在编译期就确定了具体的调用版本这个版木在运行时是不可变的这样的方法称为非虚方法。静态方法、私有方法、final方法、实例构造器、父类方法都是非虚方法。其他方法称为虚方法。子类对象的多态性的使用前提1.类的继承关系 2.方法的重写虚拟机中提供了以下几条方法调用指令普通调用指令:1.invokestatic:调用静态方法解析阶段确定唯一方法版本2.invokespecial:调用init方法、私有及父类方法解析阶段确定唯一方法版本3.invokevirtual:调用所有虚方法4.invokeinterface:调用接口方法也是虚方法动态调用指令:5.invokedynamic:动态解析出需要调用的方法然后执行前四条指令固化在虚拟机内部方法的调用执行不可人为干预而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本。其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法其余的(final修饰的除外)称为虚方法。方法的调用:关于invokedynamic指令JVM字节码指令集一直比较稳定一直到Java7中才增加了一个invokedynamic指令这是Java为了实现『动态类型语言』支持而做的一种改进。但是在Java7中并没有提供直接生成invokedynamic指令的方法需要借助ASM这种底层字节码工具来产生invokedynamic指令。直到Java8的Lambda表达式的出现invokedynamic指令的生成在Java中才有了直接的生成方式。Java7中增加的动态语言类型支持的本质是对Java虚拟机规范的修改而不是对Java语言规则的修改这一块相对来讲比较复杂增加了虚拟机中的方法调用最直接的受益者就是运行在Java平台的动态语言的编译器。动态类型语言和静态类型语言java语言属于静态类型的语言python属于动态类型的语言动态类型语言和静态类型语言两者的区别就在于对类型的检查是在编译期还是在运行期满足前者就是静态类型语言反之是动态类型语言。说的再直白一点就是静态类型语言是判断变量自身的类型信息;动态类型语言是判断变量值的类型信息变量没有类型信息变量值才有类型信息这是动态语言的一个重要特征。随着java的迭代更新只是让java在一定程度上具备了动态语言的特点 java实质还是一个静态语言。方法的调用方法重写的本质1.找到操作数栈顶的第一个元素所执行的对象的实际类型记作 C。2.如果在类型C中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法则进行访问权限校验如果通过则返回这个方法的直接引用查找过程结束;如果不通过则返回java.lang.IllegalAccessError非法访问 异常。3.否则按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。4.如果始终没有找到合适的方法则抛出 java.lang.AbstractMethodError异常一直找不到说明实现接口中的方法了接口中的方法也没写过。IllegalAccessError介绍:程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法这个属性或方法你没有权限访问。一般的这个会引起编译器异常。这个错误如果发生在运行时就说明一个类发生了不兼容的改变。虚方法表在面向对象的编程中会很频繁的使用到动态分派invoke virtual如果在每次动态分派的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能影响到执行效率。因此为了提高性能JVM采用在类的方法区建立一个虚方法表(virtual method table)(非虚方法不会出现在表中)来实现。使用索引表来代替查找。每个类中都有一个虚方法表表中存放着各个方法的实际入口。那么虚方法表什么时候被创建?虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并开始初始化类的变量初始值准备完成之后JVM会把该类的方法表也初始化完毕。将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程发生在类加载子系统的链接阶段中的解析环节方法返回地址Return Address记录的就是PC寄存器存储的值1.存放调用该方法的pc寄存器要执行的下一条指令的地址的值。2.一个方法的结束有两种方式:正常执行完成出现未处理的异常非正常退出3.无论通过哪种方式退出在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时调用者的pc计数器的值作为返回地址即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的返回地址是要通过异常表来确定栈帧中一般不会保存这部分信息。本质上方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等让调用者方法继续执行下去。正常完成出口和异常完成出口的区别在于通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。一些附加信息可选的局部变量表 方法返回地址 操作数栈 动态链接是一定有的栈帧中还允许携带与java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如对程序调试提供支持的信息。虚拟机栈的5道面试题举例栈溢出的情况StackOverflow?通过-Xss设置栈的大小调整栈大小就能保证不出现溢出吗?不能分配的栈内存越大越好吗?不是垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈?不会的 只存在error 不存在GC 只有入栈出栈操作方法中定义的局部变量是否线程安全?具体情况 具体分析本地方法栈Native Method Stack本地方法栈主要是跟本地方法接口和本地方法库打交道的。1.Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用而本地方法栈用于管理本地方法的调用2.本地方法栈也是线程私有的3.允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。(在内存溢出方面是相同的)如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量Java虚拟机将会抛出一个 StackoverflowError 异常。如果本地方法栈可以动态扩展并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈那么Java虚拟机将会抛出一outofMemoryError异常4.本地方法是使用C语言C或C实现的。5.它的具体做法是Native Method Stack中登记 native方法在Execution Engine 执行时加载本地方法库。6.当某个线程调用一个本地方法时它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器。直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。7.并不是所有的JVM都支持本地方法。因为Java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果JVM产品不打算支持native方法也可以无需实现本地方法栈。在Hotspot JVM中直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。堆Heap 最重要的堆的核心概述一个java程序对应一个进程,一个进程对应一个JVM实例一个JVM实例对应一个Runtime Data Area运行时数据区。一个进程拥有一份堆内存和一个方法区多个线程共享堆内存和方法区。一个JVM实例只存在一个堆内存堆也是Java内存管理的核心区域。Java堆区在JVM启动的时候即被创建其空间大小也就确定了。是JVM管理的最大一块内存空间。堆内存的大小是可以调节的。《Java虚拟机规范》规定堆可以处于物理上不连续的内存空间中但在逻辑上它应该被视为连续的。所有的线程共享Java堆在这里还可以划分线程私有的缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, TLAB).
