一、内存模型

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。JWM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JM的高效稳定运行。不同的JM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。

 程序计数器

• 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。
• 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( undefned)。
• 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 OutOtMemoryError情况的区域。

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

 

CPU时间片

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,称作它的时间片

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。

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。

常见问题：

PC寄存器为什么会被设定为线程私有?

• 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。

举例：

 

虚拟机栈

 

Java虚拟机栈是什么

• Java虚拟机栈( Java virtual Machine stack),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

每个栈帧中存储着:

• 局部变量表(Local Variab1es)
• 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

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。

说明

• 栈是运行时的单位,而堆是存储的单位。

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栈的操作只有两个：1.每个方法执行,伴随着进栈(入栈、压栈)，2.执行结束后的出栈工作
• 对于栈来说不存在垃圾回收问题

栈可能出现的异常

• 如果釆用固定大小的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中请到足够的内存,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。
• 使用参数-Xss选项来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可达深度。

举例：

public class Test1 {static int i=0;public static void main(String[] args) {test();}public static void test(){System.out.println(++i);test();}
}

JVM参数：

-Xss512K -XX:+PrintFlagsFinal

 执行了5074次

-Xss修改为256K 执行了2331次 

栈运行原理

• 不同线程中所包含的栈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栈帧,接着,虚拟机会丢弃当前栈帧,使得前一个栈帧重新成为当前栈帧。
• Java方法有两种返回函数的方式,一种是正常的函数返回,使用 return指令;另外一种是抛岀异常。不管使用哪种方式,都会导致栈帧被弹出。

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、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。

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,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间接引用的对象都不会被回收。