JVM的基本结构及其各部分详解

Posted 2020-08-24 zwbg

3.2 栈帧组成之操作数栈

操作数栈是栈帧的主要内容之一，它主要用于保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。

操作数栈也是一个先进后出的数据结构，只支持入栈和出栈两种操作，许多java字节码指令都需要通过操作数栈进行参数传递。比如add指令，它就会在操作数栈中弹出两个整数并进行加法计算，计算结果会被入栈，如图：显示了iadd前后操作数栈的变化。

3.3 帧数据区

除了局部变量表和操作数栈，java栈帧还需要一些数据来支持常量池的解析、正常方法返回和异常处理等。大部分java字节码指令需要进行常量池访问，在帧数据区中保留着访问常量池的指针，方便程序访问常量池。

此外，当函数返回或者出现异常时，虚拟机必须恢复调用者函数的栈帧，并让调用者函数继续执行下去。对于异常处理，虚拟机必须有一个异常处理表，方便在发生异常时找到处理异常的代码，因此异常处理表也是帧数据区中重要的一部分，一个典型的异常处理表如下所示：

Exception table:

from   to    target   type

4        16      19      any

19       21      19      any

它表示在字节码偏移量4--16字节可能抛出任意异常，如果抛出异常，则跳转到字节码偏移量19处执行。当方法抛出异常时，虚拟机就会查找类似的异常表来处理，如果无法在异常表中找到合适的处理方法，则会结束当前函数调用，返回调用函数，并在调用函数中抛出相同的异常，并查找调用函数的异常表来进行处理。

3.4 栈上分配

栈上分配是java虚拟机提供的一项优化技术，它的基本思想是，对于那些线程私有的对象（这里指不可能被其他线程访问的对象），可以将他们打散分配到栈上，而不是分配到堆上。分配到栈上的好处是可以在函数调用结束后自行销毁，而不需要垃圾回收器的介入，从而提高系统的性能。

栈上分配的一个技术基础是进行逃逸分析，逃逸分析的目的是判断对象的作用域是否有可能逃逸出函数体。如下代码所示显示了一个逃逸对象：

private static User u;

public static void alloc(){

　　u = new User();

　　u.id = 5;

　　u.name = "jim";

}

对象u是类的成员变量，该字段有可能被任何线程访问，因此属于逃逸对象，而以下对象显示了一个非逃逸对象：

public static void alloc(){

　　User u = new User();

　　u.id =  5;

　　u.name = "jim";

}

在上述代码中，对象User u 以局部变量的形式存在，并且该对象并没有被alloc()函数返回或者出现任何形式的公开，因此它未发生逃逸，所以对于这种情况，虚拟机就有可能将User u 分配在栈上，而不是在堆上。

对于大量的零散小对象，栈上分配提供了一种良好的对象分配优化策略，栈上分配速度快，并且可以有效避免垃圾回收带来的负面影响。但由于栈和堆空间相比，栈空间较小，因此对于大对象无法也不适合在栈上分配。

实例1：测试非逃逸对象的分配空间位置

package com.jvm;

public class OnStackTest {
　　public static class User{
　　　　public int id = 0;
　　　　public String name = "";
　　}

　　public static void alloc(){
　　　　User u = new User();
　　　　u.id = 5;
　　　　u.name = "jim";
　　}

　　public static void main(String[] args) {
　　　　long b = System.currentTimeMillis();
　　　　for(int i=0;i<100000000;i++){
　　　　　　alloc();
　　　　}
　　　　long e = System.currentTimeMillis();
　　　　System.out.println(e-b);
　　}
}

使用-Xmx10M -XX:+PrintGC 虚拟机参数运行代码：

[GC (Allocation Failure) 2048K->544K(9728K), 0.0015011 secs]
10

上述代码在主函数中进行了1亿次alloc()调用进行对象的创建，由于User对象实例需要占用约16byte的空间，因此累计分配空间将达到1.5G，如果堆空间小于这个值，就必然发生GC。而此时我们只分配了最大的堆内存为10M，如果这些对象在堆上创建，必然会引起大量的垃圾回收现象，查看垃圾回收日志，并没有。所以，说明其对象分配在栈上。

实例2：对比测试逃逸对象的分配空间位置：

package com.jvm;

public class OnStackTest {
　　public static class User{
　　　　public int id = 0;
　　　　public String name = "";
　　}
　　public static User u;
　　public static void alloc(){
　　　　u = new User();
　　　　u.id = 5;
　　　　u.name = "jim";
　　}

　　public static void main(String[] args) {
　　　　long b = System.currentTimeMillis();
　　　　for(int i=0;i<100000000;i++){
　　　　　　alloc();
　　　　}
　　　　long e = System.currentTimeMillis();
　　　　System.out.println(e-b);
　　}
}

同样使用虚拟机参数-Xmx10M -XX:+PrintGC设置最大堆空间和打印垃圾回收日志，运行此代码：

可见，发生大量的垃圾回收现象，说明此时堆内存远远不够，需要不断的进行垃圾回收。

 

4 方法区

和堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，它用于保存系统的类信息，比如类的字段、方法、常量池等。方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区的溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出错误。

在JDK1.6、JDK1.7中，方法区可以理解为永久区（Perm）。永久区可以使用参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize指定，默认情况下，-XX:MaxPermSize为64M。一个大的永久区可以保存更多的类信息。如果系统使用了一些动态代理，那么有可能会在运行时生成大量的类，如果这样，就需要设置一个合理的永久区大小，确保不发生永久区内存溢出。

 

在JDK1.8中，永久区已经被彻底移除，取而代之的是元数据区，元数据区大小可以使用参数-XX:MaxMetaspaceSize指定（一个大的元数据区可以使系统支持更多的类），这是一块堆外的直接内存。与永久区不同，如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。

如果元数据区发生异常，虚拟机一样会抛出异常。