jvm之栈、堆

1. Java Virtual Machine

​ 人群当中，一位叫 java 的小伙子正向周围一众人群细数着自己取得的荣耀与辉煌。就在此时，c老头和c++老头缓步走来，看着被众人围住的java，c老头感叹地对着身旁的c++说道：“原以为你就可以挑起我的梁子一直走下去的。”

​ c++笑着回应道：“江山代有才人出，这世界以后总会是90后甚至00后的天下！”

察觉到c和c++的java连忙走出人群，说道：“两位前辈谦虚了，这世界可还离不开两位前辈，我只不过是站在了两位前辈的肩上罢了。”

​ “你这小子可是解决了我们不少的问题啊，像指针、多继承、内存管理......那时，可是有很多 程序员 对我们抱怨颇深！”c++夸赞道。

​ “还有Java Virtual Machine，真的是一个不错的想法!”一旁的c补充道。

......

Java虚拟机，一直都是都是我们在学习Java的过程中反复提及的一个东西，那么JVM具体是怎样的呢？请看下图：

​ 简单说来，JVM的工作就是通过类加载系统将字节码文件加载到内存当中去，加载到内存当中的数据，就从逻辑上形成了我们看到的图中的运行时数据区（内存模型），

随后执行引擎操作/调度内存模型中数据执行程序。

​ 现在看到内存模型里面的东西，大家是否有些眼熟呢？现在回想起自己面试时，遇到的JVM面试题是不是全是关于内存模型里面的东西。比如：栈、堆、Eden、Survivor、GC等等。

2. 举个小栗子

public class Example{
	public int add(){
		int a = 3;
		int b = 4;
		int c = a + b;
		return c;
	}
	public static void main(String[] args){
		Example e1 = new Example();
		e1.add();
		//.......
	}
	//......
}

​ 这个栗子是在干啥，不用多说吧！今天我们就要来慢慢地剥开它，以往剥开吃得太快就没有什么感觉了。

3. 栈

​ 栈，全称为Java 虚拟机栈，线程私有，生命周期和线程一致。描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行时都会床创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储 局部变量表 、 操作数栈 、 动态链接 、 方法出口 等信息。每一个方法从调用直至执行结束，就对应着一个栈帧从虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

​ 怎样解释上面的话呢？那就需要开始剥栗子了！刀来（大喝一声）！

​ 当栗子开始执行时，由于只有一个main线程，因而JVM只需要为main线程分配好栈区的内存（话句话说如果有多个线程，自然就会有多个栈区，并且为各自线程私有）。OK! main继续执行，就会遇到main()方法，遇到之后呢!JVM又会在栈区当中再划出一个小块来存放main()方法执行过程的数据，这一小块区域也就是栈帧。main()方法执行过程中又有一个add()方法出现了，同样地，JVM又会再为add()分配一个栈帧，同时压入到栈区，以后再遇到其他方法也是如此。当然，方法在执行完成之后，便会弹出并释放内存，当线程中栈区的所有方法都返回之后，程序也就算是执行完毕了。

​ 那么栈帧又是何许物业？咦，我刀呢？算了，手撕吧。

​ 当我们扯开栈区，撕开栈帧，一不小心，局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口......哗啦啦地散落一地。

​ 捡起add()栈帧的局部变量表和操作数栈就可以看到这样一个画面，在执行栗子中add()方法中的三行代码时，局部变量表和操作数栈的一个变化过程：首先，执行 int a = 3; 局部变量表中会分配出一个int区域，表示为a；同时iconst命令使得操作数栈中压入了常量3，然后再由istore命令将3弹出，赋值给局部变量表中a。同样， int b = 4; 这一行代码也是如此。然后， int c = a + b; 从右往左开始，先执行 a + b ，也就是iload命令从局部变量中取出a、b对应的值，再将iadd后的值push进操作数栈中，剩下的便是 int c = 7 的操作了。

​ 通过上面的栗子，就很容易明白；局部变量表，顾名思义就是存放每个方法中的局部变量（即编译器可知的各种基本类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference 类型)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)）所在处，如图中的a、b。操作数栈，也就是存放的就是方法当中的各种操作数的临时空间，又如栗子中的3、4。

​ 动态链接：Class文件的常量池中存在有大量的符号引用,字节码中的方法调用指令就以指向常量池的引用作为参数，而将部分符号引用在运行期间转化为直接引用,这种转化即为 动态链接 。这个解释当中会涉及到许多概念，比如常量池、符号引用等，要想理解这些概念，就需要去了解class文件的结构，内容太多就不在这里详细描述了。

​ 方法出口：简单来说，就是用于标记当前方法执行完成之后，应该返回到下一条指令执行位置。比如就上面的栗子而言，add()在执行完毕之后，就应该返回到e1.add()之后继续执行main()后面的代码。

4. 堆

​ 对于绝大多数应用来说，这块区域是 JVM 所管理的内存中最大的一块。线程共享，主要是用于存放对象实例和数组。除此之外，堆区还涉及到JVM中一个非常重要的工作--GC（Garbage Collection）。

​ 从图中就可以看出栈和堆之间的关系，对于new的对象，栈中局部变量表只会存放在堆中的地址引用，具体实例变量的空间分配都在堆中。

​ 而堆中的内存区域又会划分为年轻代和老年代两部分，其中一般情况下年轻代占1/3内存，老年代占2/3内存；年轻代又被划分为Eden区（伊甸园区）和两个Survivor区（幸存区），各自分别占年轻代空间的8/10、/1/10、1/10。也就是说如果堆内存区域有600M，那么年轻代200M、老年代400M、Eden区160M、S0区20M、S1区20M。

​ 这样划分区域的目的是什么呢？这个回答就关系到JVM的GC机制了。

​ 首先，程序一开始，所有的实例对象都会生成在Eden区中，当Eden区满了的时候，这时就会触发minor gc，jvm使用gc roots的查找方式将 非 垃圾对象移动（复制算法）到S0区域中去，并且将Eden区中的其他对象视为垃圾对象，清空Eden区。

​ 当实例对象再次充满Eden区时，又会触发minor gc；但是这次是将Eden区 和 S0区中的所有非垃圾对象移动到S1中，并清空Eden区和S0区；同样下次minor gc时，就是将Eden区和S1区中的非垃圾对象转移到S0中......当然，这个左手倒右手过程并不是无休止的。在反复minor gc的过程中，每个对象身上还有一个叫做分代年龄的属性，每次minor gc对象的分代年龄就会加1，当达到15（默认情况）时，这个对象就会被放到老年代中去，成为长期存在的对象。除此之外，还有一种情况，即是当从Eden区复制内容到Survivor区时，复制内容大小超过S0或S1任一区域一半大小，也会直接被放入到老年代中，所以老年代才会需要那么大的区域，不然怎么抗得住这些年轻人这样搞~~。

​ 虽然老年代空间很大，但总会有满了的时候，这时麻烦的事情就出现了——full gc。在full gc时，jvm会先触发STW（Stop-The-World），也就是暂停其他所有的java进程，回收整个内存模型当中的内存资源，从而造成用户响应超时或者是系统无响应，这对于并发程序比较高的系统（比如秒杀活动）影响程度是极其之大的。

​ 通过gc机制，我们就可以得出一个简单有效的JVM优化办法，那就是减少full gc的次数，如何减少呢？只需要调整老年代和年轻代的内存空间分配使得在minor gc的过程中尽可能的消除大部分的垃圾对象。比如这种java -Xmx3072 -Xms3072M -Xmn2048M -Xss1M

​ -Xmx3072M：设置JVM最大可用内存为3072M。

​ -Xms3072M：设置JVM初始内存为3072M。此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。

​ -Xmn2048M：设置年轻代大小为2G。增大年轻代后，将会减小年老代大小。不过此值对系统性能影响较大，Sun官方推荐配置为整个堆的3/8。

​ -Xss1M：设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M，以前每个线程堆栈大小为256K。更具应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。

​ GC Roots： 在上面的gc过程中，我们还提到了JVM是如何判断垃圾对象的。简单地来说，就是从gc roots的根出发（即局部变量表中的引用对象），一路沿着引用关系找，凡是能够被找到的对象都是非垃圾对象，并且会被移动到下一个它应该去的区域中。剩下的对象，会在区域清空时，一同被清理掉而无须关心。

5. 小结

​ 除了栈、堆之外，还有程序计数器、方法区（元空间）、本地方法栈，这些相对比较容易理解。

​ 程序计数器：用来记录当前指令执行完成后下一条指令的位置，由执行引擎来完成相应的修改操作。

​ 方法区（元空间）：存放常量、静态变量、类信息等。

​ 本地方法栈：与java虚拟机栈类似，不过存放的是native方法执行时的局部变量等数据存放位置。因为native方法一般不是由java语言编写的，常见的就是 .dll 文件当中的方法（由C/C++编写），比如 Thread 类中 start() 方法在运行时就会调用到一个 start0() 方法，查看源码时就会看到 private native void start0(); 这个方法就是一个本地方法。本地方法的作用就相当于是一个“接口”，用来连接java和其他语言的接口。

​ 另外，对于new出来的对象，无论是在栈的局部变量表还是在方法区中的空间中，存放的都只是对象在 堆 中的地址（引用），具体的空间分配是在堆中。

公众号：良许Linux

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