jvm-运行时数据区

参考

尚硅谷：宋红康（b站视频）

一、运行时数据区概念

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存区域划分为若干个不同的数据区域。

• 当我们通过前面的：类的加载 –> 验证 –> 准备 –> 解析 –> 初始化，这几个阶段完成后，就会用到执行引擎对我们的类进行使用，同时执行引擎将会使用到我们运行时数据区
• 类比一下也就是大厨做饭，我们把大厨后面的东西（切好的菜，刀，调料），比作是运行时数据区。而厨师可以类比于执行引擎，将通过准备的东西进行制作成精美的菜品。

二、运行时数据区结构

说一下JVM内存模型？分哪几个区，每个区的作用是什么？

1. 程序计数器：记录下一条字节码执行指令，实现分支循环跳转、异常处理、线程恢复等功能。
2. 虚拟机栈：存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等信息。Java方法调用
3. 本地方法栈：本地方法调用
4. 堆：所有线程共享，几乎所有对象实例都在堆中分配内存
5. 方法区：用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。

2.1 运行时数据区与内存

• 内存是非常重要的系统资源，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。

• 我们通过磁盘或者网络IO得到的数据，都需要先加载到内存中，然后cpu从内存中获取数据进行读取，也就是说内存充当了cpu和磁盘之间的桥梁

2.2 线程的内存空间

1. 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机启动而创建，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。

2. 灰色的为单独线程私有的，红色的为多个线程共享的。即：

   线程独有：独立包括程序计数器、栈、本地方法栈
   线程间共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）
   

   

2.3 说一下堆和栈的区别

2.3.1 物理地址

1. 堆：对象分配物理地址不连续，性能相对栈弱些。GC考虑分配不连续，产生算法提升性能：标记-消除，复制，标记-压缩，分代
2. 栈：先进后出，物理地址连续，性能相对堆好些。

2.3.2 内存分配

1. 堆：在运行时分配，大小不固定
2. 栈：在编译时分配，大小固定

2.3.3 存放内容

1. 堆：对象的实例和数组，更关注：数据存储
2. 栈：局部变量，操作数，动态链接，方法返回地址等信息，更关注：程序方法的执行

2.3.4 程序可见性

1. 堆：所有线程共享，可见
2. 栈：线程私有，只对线程可见，生命周期和线程相同

2.4 深拷贝与浅拷贝的区别

1. 浅拷贝：增加一个指针指向已有的内存地址
2. 深拷贝：增加一个指针指向新开辟的一块内存空间
3. 原内存发生变化，浅拷贝也随之变化；深拷贝则不会随之改变

三、PC寄存器介绍

PC寄存器的作用：PC寄存器用来存储指向下一条指令的地址，也即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令，并执行该指令。

3.1 特点

1. 运行时数据区中唯一不会出现OOM的区域，没有垃圾回收。
2. 每个线程有一个私有的程序计数器，线程之间互不影响。
3. 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
4. 如果正在执行的本地方法，这个计数器值则应为空。（undefined）

可以看下代码：

3.2 关于PC寄存器的两个面试题

使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？或者问为什么使用 PC 寄存器来记录当前线程的执行地址呢？

1. 因为线程是一个个的顺序执行流，cpu需要不停的切换各个线程，这时候切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行
2. 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
3. 记录下一条字节码执行的指令，实现分支循环跳转、异常处理、线程恢复等功能。

PC寄存器为什么被设定为私有的？

1. cpu为每个线程分配时间片，多线程在一个特定的时间段内只会执行某一个线程的方法，cpu会不停地进行任务切换，线程需要中断、恢复
2. cpu，多线程，分配时间片，只执行一个线程，cpu任务切换，线程中断恢复
3. 各个线程、PC寄存器记录、当前字节码指令地址，各个线程之间可进行独立计算，防止相互干扰。

四、本地方法接口

4.1 本地方法的概念

1. 简单地讲，一个Native Method是一个Java调用非Java代码的接囗一个Native Method是这样一个Java方法：该方法的实现由非Java语言实现，比如C。这个特征并非Java所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如在C++中，你可以用extern 告知C++编译器去调用一个C的函数。
2. “A native method is a Java method whose implementation is provided by non-java code.”（本地方法是一个非Java的方法，它的具体实现是非Java代码的实现）
3. 在定义一个native method时，并不提供实现体（有些像定义一个Java interface），因为其实现体是由非java语言在外面实现的。
4. 本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序。

4.2 为什么要使用 Native Method？

4.2.1 与Java环境外交互

有时Java应用需要与Java外面的硬件环境交互，这是本地方法存在的主要原因。你可以想想Java需要与一些底层系统，如操作系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正是这样一种交流机制：它为我们提供了一个非常简洁的接口，而且我们无需去了解Java应用之外的繁琐的细节。(当然之前还可能因为当时java需要一个发展契机，所以需要依靠于c/c++等已成名的语言)

4.2.2 与操作系统的交互

1. JVM支持着Java语言本身和运行时库，它是Java程序赖以生存的平台，它由一个解释器（解释字节码）和一些连接到本地代码的库组成。
2. 然而不管怎样，它毕竟不是一个完整的系统，它经常依赖于一底层系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。
3. 通过使用本地方法，我们得以用Java实现了jre的与底层系统的交互，甚至JVM的一些部分就是用C写的。
4. 还有，如果我们要使用一些Java语言本身没有提供封装的操作系统的特性时，我们也需要使用本地方法。

4.3 本地方法的现状

目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等等，不多做介绍。

五、本地方法栈

1. Java虚拟机栈：Java方法调用，本地方法栈：本地方法调用
2. 本地方法栈，线程私有。（key生成hash值为native方法）
3. 允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小: 内存溢出情况和Java虚拟机栈相同
4. 使用C语言实现
5. 具体做法是Native Method Stack 中登记native方法，在Execution Engine执行时加载到本地方法库
6. 当某个线程调用一个本地方法时，就会进入一个全新，不受虚拟机限制的世界，它和虚拟机拥有同样的权限。
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
8. Hotspot JVM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一

六、总结

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