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suringYu

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JVM学习笔记(二)-运行时内存区概述及pc寄存器和虚拟机栈

suringYu
2022-09-04 / 0 评论 / 0 点赞 / 15 阅读 / 5,883 字

一、简介

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。

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二、具体内存划分

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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。

线程

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灰色的为单独线程私有的,红色的为多个线程共享的

  • 每个线程:独立的程序计数器、本地方法栈、本地栈

  • 线程之间共享:堆、堆外内存(永久代或空间、代码缓存)

  • 线程是一个程序里的运行单元。JVM允许一个应用有多个线程并行的执行。

  • 在Hotspot JVM里,每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。

    • 当一个Java线程准备好执行以后,此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后,本地线程也会回收。
  • 操作系统负责所有线程的安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功,它就会调用Java线程中的run ()方法

如果你使用jconsole或者是任何一个调试工具,都能看到在后台有许多线程在运行。这些后台线程不包括调用public static void main (String [ ])的main线程以及所有这个main线程自己创建的线程。

这些主要的后台系统线程在Hotspot JVM里主要是以下几个:

  • 虚拟机线程:这种线程的操作是需要JVM达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的原因是他们都需要JVM达到安全点,这样堆才不会变化。这种线程的执行类型包括"stop-the-world"的垃圾收集,线程栈收集,线程挂起以及偏向锁撤销。
  • 周期任务线程:这种线程是时间周期事件的体现(比如中断),他们一般用于周期性操作的调度执行。
  • GC线程:这种线程对在JVM里不同种类的垃圾收集行为提供了支持
  • 编译线程:这种线程在运行时会将字节码编译成到本地代码。
  • 信号调度线程:这种线程接收信号并发送给JVM,在它内部通过调用适当的方法进行处理。

1、pc寄存器(pc计数器 )program counter register

  • 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。
  • 它是唯一个在Java虚拟机规范中没有规定任何outOfMemoryError情况的这域。
    • 补充:pc寄存器、虚拟机栈、本地方法栈都没有GC垃圾回收机制,但是虚拟机栈和本地方法栈都有可能出现OOM(outofMemoryError)内存溢出情况,也就是可能线程太多了,分配不了内存

下面是使用javap(是jdk自带的反解析工具。它的作用就是根据class字节码文件,反解析出当前类对应的code区(汇编指令)、本地变量表、异常表和代码行偏移量映射表、常量池等等信息)命令,反解析出来的一个文件

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

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。

为什么pc寄存器是线程私有的?

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,从而不会出现相互千扰的情况。
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。

简单理解为,不同线程下一个执行的指令地址不同,避免扰乱其他线程的执行顺序

2、虚拟机栈

2.1 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

2.2 生命周期

生命周期和线程一致。

2.3 作用

主管Java程序的运行,它保存方法的局部变量(8种基本数据类型、对象的引用地址)、部分结果,并参与方法的调用和返回。

  • 局部变量、成员变量(或属性)
  • 基本数据类型、引用数据类型(类、数组、接口)

2.4 内存中的栈和堆

栈是运行时的单位,而堆是存储的单位。
即:栈解决程序的运行问题,即程序如何执行,或者说如何处理数据。堆解决的是数据存储的问题,即数据怎么放、放在哪儿。

2.5 栈的特点

  • 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:
    • 每个方法执行,伴随着进栈(入栈、压栈)
    • 执行结束后的出栈工作
  • 对于栈来说不存在垃圾回收问题
    • 存在OOM(内存溢出异常)

面试题:开发中常见的异常

  • 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

补充链接

2.6 栈的存储单位-栈帧

  • 每个线程都有自己的栈,栈中的数据都是以栈帧的格式存在
  • 在这个线程上正在实行的每一个方法都各自对应一个栈帧
  • 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。

补充:

栈顶缓存 top-of-stack

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

2.6.1 栈运行原理

  • 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”/“后进先出”原则。

  • 在一条活动线程中,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(栈顶栈帧)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(CurrentMethod),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。

  • 如果在该方法中调用了其他方法,对应的新的栈帧会被创建出来,放在栈的顶端,成为新的当前帧。

下图为线程中方法调用时对应的栈区域内存情况描述

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  • 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;另外一种是抛出异常。不管使用哪种方式,都会导致栈帧被弹出。

2.6.2 栈帧的结构:

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1、局部变量表(Local variables)
  • 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(返回地址)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(没有多个线程来操作这个数据,也就避免了数据安全问题)

  • 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,它的参数和同部变量越多,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。

  • slot (槽)

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    • 参数值的存放总是在局部变量数组的index0开始,到数组长度-1的索引结
      束。
  • 局部变量表,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在存储前被转换为int,boolean也被转换为int,0 表示false ,非0表示true。long和double 则占据两个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指定的局部变量值

    • 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。(比如:访问long或double类型变量)
  • 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。

补充:栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重用的,如果一个局部变量过了其作用域,那么在其作用域之后申明的新的局部变量就很有可能会复用过期局部变量的槽位,从而达到节省资源的目的。

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在静态方法中不能调用this对象,因为在静态方法运行的时候this局部变量没有定义,这里又引出变量的分类

按照数据类型分类:

  • 基本数据类型
  • 引用数据类型

按照类中声明的位置分:

成员变量:使用前都经历过默认初始化赋值

  • 类变量(也叫静态变量):使用static修饰的变量。在linking的prepare阶段:给类变量默认赋值 -->initial阶段显式复制,也就是静态代码块赋值
  • 实例变量:未使用static修饰的变量。随着对象的创建会在堆分配变量空间,并进行默认赋值

局部变量:在使用前必须要进行显式赋值的,否则编译不通过

2、操作数栈(operand stack)(或表达式栈)

​ 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。

  • 在方法执行中,根据字节码指令,在栈中写入数据或提取数据,即入栈(push)/出栈(pop)
  • 方法开始执行的时候,会创建一个对应的新栈帧,对应的操作数栈是空的
  • 实际物理结构是由数组构成的,而数组在创建的时候,长度是固定的,在编译期就会确定。为max_stack。但是不能通过索引来进行访问,需要使用push和pop操作
  • 补充:java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎,这个栈就是操作数栈
3、动态链接(Dynamic Linking)(或指向运行时常量池的方法引用)
  • 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
  • image-20220509211217248

涉及操作数栈的字节码指令执行

动态链接

4、方法返回地址(return address)

存放调用该方法(调用者)的pc寄存器的值,即当前方法完成后需要执行的下一步地址。

方法的结束,有两种:

  • 正常执行完成
  • 出现未处理的异常,非正常退出

无论哪一种方式退出,在方法退出后都会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,即调用该方法的下一条指令的地址。而通过异常退出的,返回地址要通过异常表来确定,栈帧中一般不会保存这部分信息。

这两者退出的主要区别是,通过异常退出的方法的不会返回给调用者产生任何的返回值。

关于返回字节码指令链接

5、一些附加信息

栈帧中允许携带的一些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

2.7 方法的调用(延伸)

2.7.1 绑定机制

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。

  • 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。

  • 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。

对应的方法的绑定机制为:早期绑定(Early Binding)晚期绑定(Late Binding)。绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程,这仅仅发生一次

  • 早期绑定:

早期绑定就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链接的方式将符号引用转换为直接引用。

  • 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。

补充:类的构造器和方法不同,构造器是用来做类的实例化的,而方法是用于类或者对象调用的

2.7.2 虚方法和非虚方法

  • 非虚方法
    • 如果方法在编译期就确定了具体的调用版本,这个版木在运行时是不可变的。
      这样的方法称为非虚方法。
    • 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(类自定义的public方法也是虚方法,因为可能会被其子类继承重写)。
  • 其他方法称为虚方法

子类对象的多态性的使用前提:①类的继承关系 ②方法的重写

补充视频链接

2.7.3 方法重写的本质

  1. 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。
  2. 如果在过程结束;如果不通类型C中找到与常量中的描述符合简单名称都相符的方法,则进行访问权限校验,如果通过则返回这个方法的直接引用,查找过,则返回java.lang.IllegalAccessError异常。
  3. 否则,按照继承关系从下往上依次对c的各个父类进行第⒉步的搜索和验证过程。4.如果始终没有找到合适的方法,则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

IllegalAccessError介绍:

  • 程序试图访问或修改一个属性或调用一个方法,这个属性或方法,你没有权限访问。一般的,这个会引起编译器异常。这个错误如果发生在运行时,就说明一个类发生了不兼容的改变。

2.7.4 虚方法表

首先,非虚方法在编译的时候就已经确定了要调用的路径,在面向对象的编程中,会很频繁的用到动态分配(也就是使用了虚方法),如果在每次都执行动态分配,需要每次都去类的方法元数据中搜素查询合适的目标,这样就会影响到执行效率。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)(非虚方法不会出现在此表中),来实现。使用索引表来代替查找。

  • 每个类中都存在一个虚方法表,表中存放着各个方法调用的实际入口
  • 虚方法表会在类加载的链接阶段被创建并初始化,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成
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