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1. 程序计数器

1.1 作用

1. 为了保证程序(在操作系统中理解为进程)能够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用，所以通常又称为指令计数器。
2. 在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC，因此程序计数器（PC）的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，即每执行一条指令PC增加一个量，这个量等于指令所含的字节数，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。
3. 由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单的对PC加1。
4. 当程序转移时，转移指令执行的最终结果就是要改变PC的值，此PC值就是转去的地址，以此实现转移。有些机器中也称PC为指令指针IP（Instruction Pointer）。

1.2 基本特征

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。

1. 它是一块很小的内存空间，几乎可以忽略不记。也是运行速度最快的存储区域。不会随着程序的运行需要更大的空间。
2. 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。
3. 它是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何OutOtMemoryError 情况的区域。

1.3 问题

1. PC寄存器存储字节码指令地址有什么用？

• 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。

2. PC寄存器为什么被设定为线程私有的？

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。

2. 虚拟机栈

2.1 概述

如何理解栈管运行，堆管存储？

1. 角度一：GC;OOM
2. 角度二：栈、堆执行效率
3. 角度三：内存大小；数据结构
4. 角度四：栈管运行；堆管存储。

**如何设置栈内存的大小？ **

-Xss1024k

一般默认为512k-1024k，取决于操作系统。

栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

2.2 栈针

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。

方法和栈桢之间存在怎样的关系？

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，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

2.3 栈针内部结构

每个栈帧中存储着：

• 局部变量表（Local Variables）
• 操作数栈（Operand Stack）（或表达式栈）
• 动态链接(Dynamic Linking) （或指向运行时常量池的方法引用）
• 方法返回地址（Return Address）（或方法正常退出或者异常退出的定义）
• 一些附加信息

2.3.1 局部变量表

• 局部变量表也被称之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(8种)、对象引用（reference），以及returnAddress类型。
• 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。
• 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。
• 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。

2.3.2 操作数栈

• 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。
• 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）。
• 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。
• 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。
• 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
• 操作数栈，在方法执行过程中，根据字节码指令，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，往栈中写入数据或提取数据来完成一次数据访问。
  • 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
• 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。

何为栈顶缓存技术？

前面提过，基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，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的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。

2.3.3 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

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。

2.3.4 方法返回地址

• 存放调用该方法的pc寄存器的值。
• 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
• 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。
  
  

2.3.5 一些附加信息

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。

2.4 小结与问题扩展

问题一：栈溢出的情况?
栈溢出:StackOverflowError;
举个简单的例子:在main方法中调用main方法,就会不断压栈执行,直到栈溢出;
栈的大小可以是固定大小的,也可以是动态变化（动态扩展）的。
如果是固定的,可以通过-Xss设置栈的大小;
如果是动态变化的,当栈大小到达了整个内存空间不足了,就是抛出OutOfMemory异常(java.lang.OutOfMemoryError)

问题二：调整栈大小,就能保证不出现溢出吗?
不能。因为调整栈大小,只会减少出现溢出的可能,栈大小不是可以无限扩大的,所以不能保证不出现溢出

问题三：分配的栈内存越大越好吗?
不是,因为增加栈大小，会造成每个线程的栈都变的很大,使得一定的栈空间下,能创建的线程数量会变小

问题四：垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈?
不会;垃圾回收只会涉及到方法区和堆中,方法区和堆也会存在溢出的可能;
程序计数器,只记录运行下一行的地址,不存在溢出和垃圾回收;
虚拟机栈和本地方法栈,都是只涉及压栈和出栈,可能存在栈溢出,不存在垃圾回收。

问题五：方法中定义的局部变量是否线程安全?
结论：如果局部变量在内部产生并在内部消亡的，那就是线程安全的

3. 本地方法接口与本地方法栈

什么是本地方法？

简单地讲，一个Native Method就是一个Java调用非Java代码的接口。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 "C"告知C++编译器去调用一个C的函数。

“A native method is a Java method whose implementation is provided by non-java code.”

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。

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。

为什么要使用Native Method？

Java使用起来非常方便，然而有些层次的任务用Java实现起来不容易，或者我们对程序的效率很在意时，问题就来了。

与Java环境外交互：

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。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。

与操作系统交互：

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。然而不管怎样，它毕竟不是一个完整的系统，它经常依赖于一些底层系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。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。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。

Sun’s Java

Sun的解释器是用C实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。jre大部分是用Java实现的，它也通过一些本地方法与外界交互。例如：类java.lang.Thread 的 setPriority()方法是用Java实现的，但是它实现调用的是该类里的本地方法setPriority0()。这个本地方法是用C实现的，并被植入JVM内部，在Windows 95的平台上，这个本地方法最终将调用Win32 SetPriority() API。这是一个本地方法的具体实现由JVM直接提供，更多的情况是本地方法由外部的动态链接库（external dynamic link library）提供，然后被JVM调用。

本地方法现状

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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。

• 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虚拟机将会抛出一个 OutOfMemoryError 异常。

• 本地方法是使用C语言实现的。

• 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。

• 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。

• 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。

4. 堆

4.1 核心

• 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。
• 堆，是GC ( Garbage Collection，垃圾收集器）执行垃圾回收的重点区域。
• 在方法结束后，堆中的对象不会马上被移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。
  
  

4.2 堆的内部结构

现代垃圾收集器大部分都基于分代收集理论设计，堆空间细分为：

4.2.1 年轻代与老年代

• 存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类：
  • 一类是生命周期较短的瞬时对象，这类对象的创建和消亡都非常迅速
  • 另外一类对象的生命周期却非常长，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致。
• Java堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代（YoungGen）和老年代（OldGen）
• 其中年轻代又可以划分为Eden空间、Survivor0空间和Survivor1空间（有时也叫做from区、to区）。

• 几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的。
• 绝大部分的Java对象的销毁都在新生代进行了。
  • IBM 公司的专门研究表明，新生代中 80% 的对象都是“朝生夕死”的。

4.3 如何设置堆的内存大小

• Java堆区用于存储Java对象实例，那么堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，大家可以通过选项”-Xmx”和”-Xms”来进行设置。

  • “-Xms”用于表示堆区的起始内存，等价于-XX:InitialHeapSize
  • “-Xmx”则用于表示堆区的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize

• 一旦堆区中的内存大小超过“-Xmx”所指定的最大内存时，将会抛出OutOfMemoryError:heap异常。

• 通常会将 -Xms 和 -Xmx两个参数配置相同的值，其目的是为了能够在java垃圾回收机制清理完堆区后不需要重新分隔计算堆区的大小，从而提高性能。

• heap默认最大值计算方式：如果物理内存少于192M,那么heap最大值为物理内存的一半。如果物理内存大于等于1G，那么heap的最大值为物理内存的1/4。

• heap默认最小值计算方式：最少不得少于8M，如果物理内存大于等于1G，那么默认值为物理内存的1/64，即1024/64=16M。最小堆内存在jvm启动的时候就会被初始化。

4.3.1 如何设置新生代与老年代比例？

下面这参数开发中一般不会调：

• 配置新生代与老年代在堆结构的占比。

  • 默认-XX:NewRatio=2，表示新生代占1，老年代占2，新生代占整个堆的1/3
  • 可以修改-XX:NewRatio=4，表示新生代占1，老年代占4，新生代占整个堆的1/5

• 可以使用选项”-Xmn”设置新生代最大内存大小

  • 这个参数一般使用默认值就可以了。

4.3.2 如何设置Eden、幸存者区比例？

• 在HotSpot中，Eden空间和另外两个Survivor空间缺省所占的比例是8:1:1
• 当然开发人员可以通过选项“-XX:SurvivorRatio”调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8

4.4 参数设置小结

• 堆空间大小的设置：

  • -Xms:初始内存 （默认为物理内存的1/64）；
  • -Xmx:最大内存（默认为物理内存的1/4）；

• 配置新生代与老年代在堆结构的占比。赋的值即为老年代的占比，剩下的1给新生代

  • 默认-XX:NewRatio=2，表示新生代占1，老年代占2，新生代占整个堆的1/3

-XX:NewRatio=4，表示新生代占1，老年代占4，新生代占整个堆的1/5

• 在HotSpot中，Eden空间和另外两个Survivor空间缺省所占的比例是8：1

  • 开发人员可以通过选项“-XX:SurvivorRatio”调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8

• -XX:MaxTenuringThreshold

  • 设置新生代垃圾的最大年龄。超过此值，仍未被回收的话，则进入老年代。

默认值为15

• -XX:+PrintGCDetails 输出详细的GC处理日志

• -XX:HandlePromotionFailure

  • 在发生Minor GC之前，虚拟机会检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的总空间，
  • 如果大于，则此次Minor GC是安全的
  • 如果小于，则虚拟机会查看-XX:HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。

  •     如果HandlePromotionFailure=true，那么会继续检查老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升到老年代的对象的平均大小，如果大于，则尝试进行一次Minor GC，但这次Minor GC依然是有风险的；如果小于或者HandlePromotionFailure=false，则改为进行一次Full GC。
    

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- 在JDK 6 Update 24之后，HandlePromotionFailure参数不会再影响到虚拟机的空间分配担保策略，观察OpenJDK中的源码变化，虽然源码中还定义了HandlePromotionFailure参数，但是在代码中已经不会再使用它。JDK 6 Update 24之后的规则变为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小就会进行Minor GC，否则将进行Full GC。

• -XX:+PrintFlagsFinal

查看所有的参数的最终值（可能会存在修改，不再是初始值）

具体查看某个参数的指令： jps：查看当前运行中的进程jinfo -flag SurvivorRatio 进程id

4.5 对象分配金句

为新对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务，JVM的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里分配等问题，并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关，所以还需要考虑GC执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片。

4.5.1 过程剖析

1.new的对象先放伊甸园区。此区有大小限制。

2.当伊甸园的空间填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC/YGC)，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。再加载新的对象放到伊甸园区

3.然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区。

4.如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到幸存者0区的，如果没有回收，就会放到幸存者1区。

5.如果再次经历垃圾回收，此时会重新放回幸存者0区，接着再去幸存者1区。

6.啥时候能去养老区呢？可以设置次数。默认是15次。

• 可以设置参数：-XX:MaxTenuringThreshold= 设置对象晋升老年代的年龄阈值。

7.在养老区，相对悠闲。当养老区内存不足时，再次触发GC：Major GC，进行养老区的内存清理。

8.若养老区执行了Major GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常

内存分配策略（或对象提升(promotion)规则):

如果对象在Eden 出生并经过第一次MinorGC 后仍然存活，并且能被Survivor 容纳的话，将被移动到Survivor 空间中，并将对象年龄设为1 。对象在Survivor 区中每熬过一次MinorGC ， 年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15 岁，其实每个JVM、每个GC都有所不同）时，就会被晋升到老年代中。

4.5.2 内存分配原则

针对不同年龄段的对象分配原则如下所示：

• 优先分配到Eden
• 大对象直接分配到老年代
  • 尽量避免程序中出现过多的大对象
• 长期存活的对象分配到老年代
• 动态对象年龄判断
  • 如果Survivor 区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代，无须等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年龄。
• 空间分配担保
  • -XX:HandlePromotionFailure

6.补充

YGC / minorGC 触发机制 ：Eden 区满了触发，顺带着把 S 区也回收了。（S区满了不会触发 YGC / minorGC）

MajorGC 回收老年代

FullGC 对整堆回收 包含 方法区

老年代空间不足会触发 MajorGC 还是 FullGC，取决于 在 MajorGC 前是否会触发 minorGC， 如果触发了 minorGC ，那么就叫 FullGC , 否则就叫 MajorGC。