Java性能 -- JVM内存模型

JVM内存模型

堆

堆是JVM内存中最大的一块内存空间，被所有线程共享，几乎所有对象和数组都被分配到堆内存中
堆被划分为新生代和老年代，新生代又被划分为Eden区和Survivor区（From Survivor + To Survivor）
永久代
- 在Java 6中，永久代在非堆内存中
- 在Java 7中，永久代的静态变量和运行时常量池被合并到堆中
- 在Java 8中，永久代被元空间取代

程序计数器

程序计数器是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址
Java是多线程语言，当执行的线程数量超过CPU数量时，线程之间会根据时间片轮询争夺CPU资源
- 当一个线程的时间片用完了，或者其他原因导致该线程的CPU资源被提前抢夺
- 那么退出的线程需要单独的程序计数器来记录下一条运行的指令

方法区

方法区 != 永久代
HotSpot VM使用了永久代来实现方法区，但在其他VM（Oracle JRockit、IBM J9）不存在永久代一说
方法区只是JVM规范的一部分，在HotSpot VM中，使用了永久代来实现JVM规范的方法区
方法区主要用来存放已被虚拟机加载的类相关信息
- 类信息（类的版本、字段、方法、接口和父类等信息）、运行时常量池、字符串常量池
JVM在执行某个类的时候，必须经过加载、连接（验证、准备、解析）、初始化
- 加载类时，JVM会先加载class文件，在class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有常量池
  - 常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用
  - 字面量：字符串（String a="b"），基本类型的常量（final修饰）
  - 符号引用：类和方法的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符
- 当类加载到内存中后，JVM会将class文件常量池中的内容存放到运行时常量池中
- 在解析阶段，JVM会把符号引用替换为直接引用（对象的索引值）
运行时常量池是全局共享的，多个类共用一个运行时常量池
- class文件中的常量池多个相同的字符串在运行时常量池只会存在一份
方法区和堆类似，都是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的
- 假设两个线程都试图访问方法区中同一个类信息，而这个类还没有装入JVM
- 那么此时只允许一个线程去加载该类，另一个线程必须等待
HotSpot VM
- 在Java 7中，已经将永久代的静态变量和运行时常量池转移到堆中，其余部分则存储在JVM的非堆内存中
- 在Java 8中，已经用元空间代替永久代来实现方法区，并且元空间的存储位置是本地内存
  - 之前永久代中类的元数据存储在元空间，永久代的静态变量和运行时常量池与Java 7一样，转移到堆中
- 移除永久代，使用元空间的好处
  - 移除永久代是为了融合HotSpot VM和JRockit VM
  - 永久代内存经常不够用或者发生内存溢出（java.lang.OutOfMemoryError: PermGen）
  - 为永久代分配多大的空间很难确定，依赖很多因素
JVM的内存模型只是一个规范，方法区也是一个规范，一个逻辑分区，并不是一个物理分区

虚拟机栈

Java虚拟机栈是线程私有的内存空间，和Java线程一起创建
当创建一个线程时，会在虚拟机栈中申请一个线程栈
- 用来保存方法的局部变量、操作数栈、动态链接方法和返回地址等信息，并参与方法的调用和返回
每一个方法的调用都伴随着栈帧的入栈操作，每一个方法的返回都伴随着栈帧的出栈操作

本地方法栈

本地方法栈跟Java虚拟机栈的功能类似
Java虚拟机栈用来管理Java函数的调用，而本地方法栈用来管理本地方法（C语言实现）的调用

JVM运行原理

public class JVMCase {
    // 常量
    private final static String MAN_SEX_TYPE = "man";
    // 静态变量
    public static String WOMAN_SEX_TYPE = "woman";

    public static void main(String[] args) {
        Student student = new Student();
        student.setName("nick");
        student.setSexType(MAN_SEX_TYPE);
        student.setAge(20);

        JVMCase jvmCase = new JVMCase();
        // 调用非静态方法
        jvmCase.sayHello(student);
        // 调用静态方法
        print(student);
    }
    
    // 非静态方法
    private void sayHello(Student student) {
        System.out.println(student.getName() + " say: hello");
    }

    // 常规静态方法
    private static void print(Student student) {
        System.out.println(student);
    }
}

@Data
class Student {
    private String name;
    private String sexType;
    private int age;
}

JVM向操作系统申请内存
- JVM第一步是通过配置参数或者默认配置参数向操作系统申请内存空间，根据内存大小找到具体的内存分配表
- 然后把内存段的起始地址和终止地址分配给JVM，最后JVM进行内部分配
JVM获得内存空间后，会根据配置参数分配堆、栈以及方法区的内存大小
class文件加载、验证、准备和解析
- 其中准备阶段会为类的静态成员（字段和方法）分配内存，初始化为系统初始值
初始化
- JVM首先会执行构造器<clinit>方法，编译器会在.java文件被编译成.class文件，收集所有类的初始化代码
- 初始化代码：静态变量赋值语句，静态代码块、静态方法
执行方法
- 启动main线程，执行main方法，执行第一行代码
- 在堆内存中会创建一个Student对象，对象引用student存放在栈中
- 再创建一个JVMCase对象，并调用sayHello非静态方法
  - sayHello方法属于对象jvmCase，此时sayHello方法入栈，并调用栈中Student引用调用堆中的Studentd对象
- 调用静态方法print
  - print方法属于JVMCase类，从静态方法中获取后放入到栈中，通过Student引用调用堆中的Studentd对象