一、运行时数据区概述 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在运行过程中内存的申请、分配、管理等的策略，虽然不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异，但目的都是保证JVM的高效稳定运行。 如上图所示：Java虚拟机定义了若干种程序运行其间会使用到的运行时数据区，其中红色部分(即方法区和堆)会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁，是线程共享的。灰色部分(程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈)则是与线程一一对应的，它们会随着线程的开始和结束而创建和销毁。 JDK8的运行时数据区的内存划分稍微有些变化：没有了方法区，但有了元空间 在java.lang包下有一个Runtime类，代表着运行时环境。每一个运行的应用只会有一个单例的Runtime实例，且应用自身不可以创建这个实例。
二、程序计数器(或称PC寄存器) 在JVM中的程序计数寄存器(Program Counter Register)的命名中，Register源于CPU的寄存器，寄存器是存储指令相关的现场信息的。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，JVM的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟，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)。 程序计数器记录的是某个线程下一步要执行的指令的地址，由执行引擎读取。 程序计数器是一块很小的内存空间，空间大小几乎可以忽略不计，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，它是线程私有的，生命周期与线程保持一致。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)。 程序计数器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的。它是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。 如上图所示左侧的数字就代表这指令的行号，右侧就是具体的操作指令。 源代码编译为字节码后，每个方法都会有如上图所示的指令地址和操作指令的对应关系，程序计数器的作用就是记录当前方法将要执行的指令地址，执行引擎从程序计数器中读取某个线程的指令地址，然后获取与该地址关联的操作指令进行执行。 为什么需要使用程序计数器存储要执行的字节码指令的地址呢？因为CPU需要不停的切换各个线程，当切换回某个线程时，需要知道应该从哪行指令开始继续执行。就需要JVM的字节码解释器通过改变程序计数器的值来明确下一步应该执行哪条字节码指令。
三、虚拟机栈 1、虚拟机栈出现的背景 虚拟机栈也叫Java栈，每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，是线程私有的，生命周期和线程一致，其内部保存一个个地栈帧(Stack Frame)，栈帧中保存方法的局部变量、部分结果、对应着一次次地方法调用和返回。 由于不同平台的CPU架构不同，若将虚拟机设计为基于寄存器的就无法满足跨平台性，所以Java的指令都是根据栈来设计的。这样一来指令集更小，编译器也更容易实现，但性能会有所下降，实现同样的功能需要更多的指令。 栈是运行时的单位，堆是存储的单位。也就是说栈解决程序的运行问题，即程序如何运行、如果处理数据。堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。 简单地说：栈管运行，堆管存储。 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直接对栈的操作只有两个：每个方法执行，伴随着进栈；执行结束出栈。由于入栈和出栈对应着方法的调用，因此不存在垃圾回收问题。 2、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虚拟机允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。在无限递归调用时就会报StackOverflowError异常：
public static void main(String[] args){ main(args); }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OutOfMemoryError异常。 可以使用参数 -Xss 设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大深度。 3、栈的存储单位 每个线程都有自己的栈，栈中的数据都是以栈帧的形式存在。在这个线程上正在或将要执行的每个方法都各自对应一个栈帧。栈帧时一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。 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”或者说“后进先出”原则。在一个活动线程中，一个时间点上，只会有一个活动的栈帧。即只有当前正在执行的方法的栈帧是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧(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。如果该方法调用了其他方法，对应的会创建新的栈帧，放在栈的顶端成为新的当前栈。 不同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。如果当前方法被其他方法调用，在方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着，虚拟机会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新称为当前栈帧。 Java方法有两种函数返回的方式，一种是正常的函数返回，使用return指令(无返回值时return可以省略，字节码中会自动加上return指令)；另一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。 4、栈帧的内部结构 每个栈帧中存储着： 局部变量表(Local Variables) 操作数栈(Operand Stack，也称表达式栈) 动态链接(Dynamic Linking，或称指向运行时常量池的方法引用) 方法返回地址(Return Address，或方法正常退出或异常退出的定义) 一些附加信息 ①局部变量表 局部变量表也称为局部变量数组或本地变量表。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。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。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。在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。 方法嵌套调用的次数由栈的大小和栈帧的大小同时决定。一般来说，栈越大，方法可嵌套调用次数越多。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，导致栈帧越大，进而函数调用就会占用更多的栈空间，导致其可嵌套调用次数减少。即虚拟机栈的深度除了和-Xss的值有关之外，还和栈帧的大小有关，即和栈帧中局部变量表、操作数栈等占用的内存大小有关，是一种负相关关系。 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，随着方法栈桢的销毁，局部变量表也会随之销毁。 参数值的存放总是从局部变量数组的index0开始，到数组长度-1的索引位置结束。局部变量表中最基本的存储单元是Slot(变量槽)。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(reference)，returnAddress类型的变量。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在存储前会被转换为int，boolean也会被转换为int，都占用一个slot。long和double则占用两个slot。 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的局部变量值。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。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。如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的，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。但是静态方法的局部变量表中是没有this的，这也是为什么在static修饰的方法中无法使用this的原因。 另外，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声明的新的局部变量就很有可能会服用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。 静态变量和局部变量的对比： 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。我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次在“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，赋予在代码中定义的初始值。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，在初始化前无法使用。 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表，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(可达性分析算法中的根节点之一)，只要被局部变量表中直接或间接引用的对用都不会被回收。 ②操作数栈 每一个独立的栈帧中除了包含局部变量表外，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。在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据和提取数据，即入栈(push)/出栈(pop)。 如上图所示：左侧是源代码，右侧是编译后的字节码指令。可以看到编译后的字节码指令的执行情况：push是向操作数栈中压入数据，即入栈；store是将操作数栈中的数据存在局部变量表中；load是将局部变量表中的数据取出来压入操作数栈 ①bipush 15：往操作数栈中压入byte类型的15 ②istore_1：将①中压入的值存在局部变量表的索引1位置(因为是成员方法，索引0位置存放的是this) ③bipush 8：往操作数栈中压入byte类型的8(操作数会自动根据数值的范围做转换) ④istore_2：将③中压入的值存在局部变量表的索引2位置 ⑤iload_1：将局部变量表索引1位置的变量压入操作数栈 ⑥iload_2：将局部变量表索引2位置的变量压入操作数栈 ⑦iadd：在操作数栈中将局部变量做加法操作 ⑧istore_3：将⑦中的计算结果存在局部变量表的索引3的位置 ⑨return：方法执行结束，返回 执行图示分解如下： 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。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。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。 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。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，这时方法的操作数栈是空的。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，即stack的值。 栈中的任何一个元素都可以是任意的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。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和出栈操作来完成一次数据访问。 前面提到过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将需要更多的指令分派(instruction dispatch)次数和内存读/写次数。由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM地设计者们提出了栈顶缓存(ToS,Top-of-Stack Cashing)技术，将栈顶元素全部缓存在物理CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率。 ③动态链接 每一个栈帧内部都包含一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)，比如：invokedynamic指令。可以理解为动态链接就是为了保存常量池中常量的引用。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。 ④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。有两种绑定机制：早期绑定(Early Binding)和晚期绑定(Late Binding)。与之对应的由两种链接方式：静态链接和动态链接。 早期绑定：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连接的方式将符号引用转换为直接引用。 静态链接：当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。 晚期绑定：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。 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。 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，但是他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++中需要使用关键字virtual来显示定义)。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。 非虚方法：如果方法在编译期就确定了具体的调用版本，这个版本在运行时时不可变的，这样的方法称为非虚方法(对应于上面的早期绑定和静态链接)。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。除此之外的方法都是虚方法。 虚拟机中提供了以下几条方法调用指令： ①普通调用指令： invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本 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 invokevirtual：调用所有虚方法 invokeinterface：调用接口方法 ②动态调用指令： invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行 invokestatic、invokespecial、invokevirtual和invokeinterface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。 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，在Java中才有了nvokedynamic指令的直接生成。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，静态类型语言在编译期进行类型检查，动态类型语言则在运行期进行类型检查。说的直白一点就是：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，对于动态类型语言来说变量没有类型信息，变量值才有，这是动态类型语言的一个重要特征。Java是静态类型语言，但从有了Lambda后又有了动态类型语言的特性，而js和python都属于动态类型语言。 Java中方法重写的本质：在方法调用时，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，如果在类型C中找到与常量中的描述符和简单名称都相符的方法，则再进行访问权限校验，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异常。若在类型C中没有找到与常量中的描述符和简单名称都相符的方法，则说明调用的是父类中的方法，则按照继承关系从下往上依次在C的各个父类中找与常量中的描述符和简单名称都相符的方法，如果最终没有找到，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常，也就说明调用的是一个未实现的抽象方法。 在面向对象的编程中，会很频繁的使用到动态分派，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)来实现，非虚方法不会出现在该表中，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。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。我想这个应该是使用反射跟使用对象直接调用方法相比效率低下的一个原因，因为使用反射无法使用这个虚方法表，每次都需要查找方法。 注：IllegalAccessError异常：程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法，但这个属性或方法没有权限访问，一般这个会在编译期异常，但如果发生在运行时，则很可能是类发生了不兼容的改变，比如通过maven引入了不同版本的同一个类。 ⑤方法的返回地址 存放调用方法的pc寄存器的值。一个方法的结束有两种方式：①正常执行完成②出现未处理的异常，非正常退出。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它的上层调用者产生任何的返回值，正常完成退出则会return相关的值给上层调用者。 方法退出的两种方式： ①执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令(return)，会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口。一个方法在正常调用完成之后究竟需要使用哪一个返回指令还需要根据方法返回值的实际数据类型而定。在字节码指令中，返回指令包含ireturn(返回值是boolean、byte、char、short和int类型时使用)、lreturn(返回值是long类型时)、freturn(返回值是float类型时)、dreturn(返回值是double类型时)以及areturn(返回值是引用类型时)，另外还有一个return指令供声明为void的方法、实例初始化方法(构造器和动态代码块)、类和接口的初始化方法(静态代码块)使用。 ②在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口。方法执行过程中抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码。 上图所示即为字节码文件中的一个异常表，表示在字节码的第4到16行如果出现任何异常则都交由字节码的第19行进行处理。 5、关于虚拟机栈的面试题 ①JVM中哪些区域存在OOM?哪些区域存在GC?
区域是否存在OOM是否发生GC程序计数器否否虚拟机栈是否本地方法栈是否方法区是是堆是是②在方法中声明的局部变量存在线程安全问题吗？ 这个要具体情况具体分析，如果在方法内部声明的变量本身是非线程安全的，但在这个方法中有多个线程同时操作这个变量，则有可能会发生线程安全问题。或者是在一个方法中将返回值类型设置为线程不安全的类型，在返回后也有可能被多个线程操作，也有可能产生线程安全问题。
// 对象sb有可能被多个线程同时操作，可能会发生线程安全问题 public void operate(StringBuilder sb){ sb.append("a"); sb.append("b"); } // 对象sb同时被多个线程操作，可能会发生线程安全问题 public void operate(){ StringBuilder sb = new StringBuilder(); new Thread(){ public void run(){ sb.append("a"); } }.start(); new Thread(){ public void run(){ sb.append("b"); } }.start(); } // 直接将一个非线程安全的对象返回也可能会发生线程安全问题，因为无法保证返回的这个对象只有一个线程在操作 public StringBuilder operate(){ return new StringBuilder(); }四、本地方法栈 1、本地方法 方法的实现是由非Java语言完成的，但是可以通过Java语言调用。一个Native Method就是一个Java调用非Java代码的接口。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。
public native void nativeMethod(int x);标识符native可以与所有其他的Java标识符连用，但是abstract除外。 有时Java应用需要与Java外面的环境交互，这是本地方法存在的主要原因，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应用之外的繁琐细节，比如说与操作系统的交互。 目前这种方式使用的越来越少了，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WebService等。 2、本地方法栈 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。本地方法栈也是线程私有的，在Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库。 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虚拟机会抛出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虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。 当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的不再受虚拟机限制的世界，它将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，可以直接使用本地处理器中的寄存器，可以直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。 需要注意的是：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。JVM的产品可以不支持native方法，在Hotspot JVM中，将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
