JVM-七步带你掌握JVM内存结构

一、从房屋户型图理解JVM的内存划分原理与基本结构介绍

大白话：

? ? ? ? 这是JDK1.6的内存结构，JDK1.8以后方法区已经挪出来了，不属于JVM内存。

二、第一步：掌握程序计数器的功能与工作过程

mac@MacdeMBP ch2_class_loader % javap -v PC
警告: 二进制文件PC包含ch2_class_loader.PC
Classfile /Users/mac/IdeaProjects/OOM/OOM/out/production/OOM/ch2_class_loader/PC.class
  Last modified 2023-12-29; size 491 bytes
  MD5 checksum b0849816b5a32d4c8412bfd0452f93e2
  Compiled from "PC.java"
public class ch2_class_loader.PC
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#21         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #22            // ch2_class_loader/PC
   #3 = Class              #23            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               LocalVariableTable
   #9 = Utf8               this
  #10 = Utf8               Lch2_class_loader/PC;
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               args
  #14 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #15 = Utf8               i
  #16 = Utf8               I
  #17 = Utf8               j
  #18 = Utf8               StackMapTable
  #19 = Utf8               SourceFile
  #20 = Utf8               PC.java
  #21 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V
  #22 = Utf8               ch2_class_loader/PC
  #23 = Utf8               java/lang/Object
{
  public ch2_class_loader.PC();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lch2_class_loader/PC;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: if_icmple     18
        11: iload_1
        12: iload_2
        13: iadd
        14: istore_3
        15: goto          22
        18: iload_1
        19: iload_2
        20: isub
        21: istore_3
        22: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 3
        line 8: 6
        line 9: 11
        line 10: 15
        line 11: 18
        line 13: 22
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      23     0  args   [Ljava/lang/String;
            3      20     1     i   I
            6      17     2     j   I
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 253 /* append */
          offset_delta = 18
          locals = [ int, int ]
        frame_type = 3 /* same */
}
SourceFile: "PC.java"
mac@MacdeMBP ch2_class_loader % 

三、第二步：掌握虚拟机栈的功能与故障实战新

大白话：

? ? ? ? function() -> function1() -> function2() -> function3() -> function2() -> function1() -> function(), 结果必须等所有方法依次执行完，再依次返回结果，在这个过程中，每个方法的信息不能丢掉，保存在栈帧。

? ? ? ? 1.一个线程一次只能执行一个方法

? ? ? ? 2.先进后出

? ? ? ? 3.栈帧 - 存储当前方法的一些特征

大白话：

? ? ? ? 经常见到异常StackOverFlow，就是因为方法递归层次过深，或者方法内部创建的对象过多导致栈空间不足，就会发生栈溢出错误。

四、掌握虚拟机栈的内部结构

大白话：

? ? ? ? 1.局部变量表 - 保存方法中的变量；

? ? ? ? 2.操作数栈 - 执行方法运算；

? ? ? ? 3.动态链接 - 执行方法调用；

? ? ? ? 4.方法返回地址 - 返回值

? ? ? ?

局部变量表、操作数栈的大小在字节码生成的时候，就已经确定了，具体如下图：

大白话：

? ? ? ? 上图的

????????stack - 操作数栈的大小 单位：单位空间

? ? ? ? locals - 本地变量的数量?

? ? ? ? Slot - 变量的大小，比如int - 32位(4个字节)，long - 64位(8个字节)、short - 16位(2个字节)、byte - 8位(1个字节)、float - 32位(4个字节)

32位表示1个slot

参考：Java虚拟机（三）—— Java变量在虚拟机中的内存分配_java虚拟机内存分配-CSDN博客

警告: 二进制文件StackTest3包含ch2_class_loader.StackTest3
Classfile /Users/mac/IdeaProjects/OOM/OOM/out/production/OOM/ch2_class_loader/StackTest3.class
? Last modified 2024-1-2; size 603 bytes
? MD5 checksum e3eb2d1910da782f57543dfac3b9ba3e
? Compiled from "StackTest3.java"
public class ch2_class_loader.StackTest3
? minor version: 0
? major version: 52
? flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
? ?#1 = Methodref ? ? ? ? ?#6.#28 ? ? ? ? // java/lang/Object."<init>":()V
? ?#2 = Double ? ? ? ? ? ? 30.0d
? ?#4 = Methodref ? ? ? ? ?#5.#29 ? ? ? ? // ch2_class_loader/StackTest3.test:()V
? ?#5 = Class ? ? ? ? ? ? ?#30 ? ? ? ? ? ?// ch2_class_loader/StackTest3
? ?#6 = Class ? ? ? ? ? ? ?#31 ? ? ? ? ? ?// java/lang/Object
? ?#7 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? <init>
? ?#8 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? ()V
? ?#9 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? Code
? #10 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? LineNumberTable
? #11 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? LocalVariableTable
? #12 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? this
? #13 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? Lch2_class_loader/StackTest3;
? #14 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? test
? #15 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? a
? #16 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? I
? #17 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? b
? #18 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? c
? #19 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? d
? #20 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? D
? #21 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? e
? #22 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? main
? #23 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? ([Ljava/lang/String;)V
? #24 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? args
? #25 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? [Ljava/lang/String;
? #26 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? SourceFile
? #27 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? StackTest3.java
? #28 = NameAndType ? ? ? ?#7:#8 ? ? ? ? ?// "<init>":()V
? #29 = NameAndType ? ? ? ?#14:#8 ? ? ? ? // test:()V
? #30 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? ch2_class_loader/StackTest3
? #31 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? java/lang/Object
{
? public ch2_class_loader.StackTest3();
? ? descriptor: ()V
? ? flags: ACC_PUBLIC
? ? Code:
? ? ? stack=1, locals=1, args_size=1
? ? ? ? ?0: aload_0
? ? ? ? ?1: invokespecial #1 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Method java/lang/Object."<init>":()V
? ? ? ? ?4: return
? ? ? LineNumberTable:
? ? ? ? line 3: 0
? ? ? LocalVariableTable:
? ? ? ? Start ?Length ?Slot ?Name ? Signature
? ? ? ? ? ? 0 ? ? ? 5 ? ? 0 ?this ? Lch2_class_loader/StackTest3;

? public static void test();
? ? descriptor: ()V
? ? flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
? ? Code:
? ? ? stack=2, locals=7, args_size=0
? ? ? ? ?0: bipush ? ? ? ?10
? ? ? ? ?2: istore_0
? ? ? ? ?3: bipush ? ? ? ?10
? ? ? ? ?5: istore_1
? ? ? ? ?6: bipush ? ? ? ?10
? ? ? ? ?8: istore_2
? ? ? ? ?9: ldc2_w ? ? ? ?#2 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// double 30.0d
? ? ? ? 12: dstore_3
? ? ? ? 13: ldc2_w ? ? ? ?#2 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// double 30.0d
? ? ? ? 16: dstore ? ? ? ?5
? ? ? ? 18: return
? ? ? LineNumberTable:
? ? ? ? line 5: 0
? ? ? ? line 6: 3
? ? ? ? line 7: 6
? ? ? ? line 8: 9
? ? ? ? line 9: 13
? ? ? ? line 10: 18
? ? ? LocalVariableTable:
? ? ? ? Start ?Length ?Slot ?Name ? Signature
? ? ? ? ? ? 3 ? ? ?16 ? ? 0 ? ? a ? I
? ? ? ? ? ? 6 ? ? ?13 ? ? 1 ? ? b ? I
? ? ? ? ? ? 9 ? ? ?10 ? ? 2 ? ? c ? I
? ? ? ? ? ?13 ? ? ? 6 ? ? 3 ? ? d ? D
? ? ? ? ? ?18 ? ? ? 1 ? ? 5 ? ? e ? D

? public static void main(java.lang.String[]);
? ? descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
? ? flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
? ? Code:
? ? ? stack=0, locals=1, args_size=1
? ? ? ? ?0: invokestatic ?#4 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Method test:()V
? ? ? ? ?3: return
? ? ? LineNumberTable:
? ? ? ? line 13: 0
? ? ? ? line 14: 3
? ? ? LocalVariableTable:
? ? ? ? Start ?Length ?Slot ?Name ? Signature
? ? ? ? ? ? 0 ? ? ? 4 ? ? 0 ?args ? [Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "StackTest3.java"
mac@MacdeMacBook-Pro ch2_class_loader %?

查看代码流程

第一步：

大白话：

? ? ? ? 在main方法里，code这里

? ? ? ? 0：invokestatic #4? ? ? // Method test:()V? ? ? ? - 这里注释都明白告诉了，这里是个方法调用，方法名是test,返回值是V，也就是void;

第二步，查找#4：

大白话：

? ? ? ? #4 - 就是一个方法调用，指向了StackTest3的test方法；

? ? ? ? #4 又指向了#5.#29

? ? ? ? #5 - 就是StackTest3这个类

? ? ? ? #29 - 就是test这个方法

? ? ? ? #29 又指向了#14:#8

#14:#8 - 就是test():V

总结：所有的#..都不是在内存中，而是在字节码文件中，所以，就像是一个房子的图纸，符号引用转为转为直接引用，就是把#4转为拿到在堆中的地址。

静态解析 - 类加载的时候，就将符号引用转换为直接引用；

动态解析 - 在方法里，单独来创建，单独来使用，在运行的时候才转换为直接引用，这就是动态解析。

大白话：

? ? ? ? 方法3执行的指令是10，执行方法4返回指令是11，就将指令11传给方法4，返回的时候，将指令11和执行结果一起返回。

五、图解虚拟机栈与PC协调工作过程

警告: 二进制文件MathTest包含ch2_class_loader.MathTest
Classfile /Users/mac/IdeaProjects/OOM/OOM/out/production/OOM/ch2_class_loader/MathTest.class
? Last modified 2024-1-2; size 543 bytes
? MD5 checksum a2e3adc0a61580b4f5260d7d2bf8ef50
? Compiled from "MathTest.java"
public class ch2_class_loader.MathTest
? minor version: 0
? major version: 52
? flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
? ?#1 = Methodref ? ? ? ? ?#3.#23 ? ? ? ? // java/lang/Object."<init>":()V
? ?#2 = Class ? ? ? ? ? ? ?#24 ? ? ? ? ? ?// ch2_class_loader/MathTest
? ?#3 = Class ? ? ? ? ? ? ?#25 ? ? ? ? ? ?// java/lang/Object
? ?#4 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? <init>
? ?#5 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? ()V
? ?#6 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? Code
? ?#7 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? LineNumberTable
? ?#8 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? LocalVariableTable
? ?#9 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? this
? #10 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? Lch2_class_loader/MathTest;
? #11 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? calc
? #12 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? ()I
? #13 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? a
? #14 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? I
? #15 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? b
? #16 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? c
? #17 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? main
? #18 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? ([Ljava/lang/String;)V
? #19 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? args
? #20 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? [Ljava/lang/String;
? #21 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? SourceFile
? #22 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? MathTest.java
? #23 = NameAndType ? ? ? ?#4:#5 ? ? ? ? ?// "<init>":()V
? #24 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? ch2_class_loader/MathTest
? #25 = Utf8 ? ? ? ? ? ? ? java/lang/Object
{
? public ch2_class_loader.MathTest();
? ? descriptor: ()V
? ? flags: ACC_PUBLIC
? ? Code:
? ? ? stack=1, locals=1, args_size=1
? ? ? ? ?0: aload_0
? ? ? ? ?1: invokespecial #1 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Method java/lang/Object."<init>":()V
? ? ? ? ?4: return
? ? ? LineNumberTable:
? ? ? ? line 3: 0
? ? ? LocalVariableTable:
? ? ? ? Start ?Length ?Slot ?Name ? Signature
? ? ? ? ? ? 0 ? ? ? 5 ? ? 0 ?this ? Lch2_class_loader/MathTest;

? public int calc();
? ? descriptor: ()I
? ? flags: ACC_PUBLIC
? ? Code:
? ? ? stack=2, locals=4, args_size=1
? ? ? ? ?0: bipush ? ? ? ?11
? ? ? ? ?2: istore_1
? ? ? ? ?3: bipush ? ? ? ?22
? ? ? ? ?5: istore_2
? ? ? ? ?6: bipush ? ? ? ?33
? ? ? ? ?8: istore_3
? ? ? ? ?9: iload_1
? ? ? ? 10: iload_2
? ? ? ? 11: iadd
? ? ? ? 12: iload_3
? ? ? ? 13: imul
? ? ? ? 14: ireturn
? ? ? LineNumberTable:
? ? ? ? line 5: 0
? ? ? ? line 6: 3
? ? ? ? line 7: 6
? ? ? ? line 8: 9
? ? ? LocalVariableTable:
? ? ? ? Start ?Length ?Slot ?Name ? Signature
? ? ? ? ? ? 0 ? ? ?15 ? ? 0 ?this ? Lch2_class_loader/MathTest;
? ? ? ? ? ? 3 ? ? ?12 ? ? 1 ? ? a ? I
? ? ? ? ? ? 6 ? ? ? 9 ? ? 2 ? ? b ? I
? ? ? ? ? ? 9 ? ? ? 6 ? ? 3 ? ? c ? I

? public static void main(java.lang.String[]);
? ? descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
? ? flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
? ? Code:
? ? ? stack=0, locals=1, args_size=1
? ? ? ? ?0: return
? ? ? LineNumberTable:
? ? ? ? line 12: 0
? ? ? LocalVariableTable:
? ? ? ? Start ?Length ?Slot ?Name ? Signature
? ? ? ? ? ? 0 ? ? ? 1 ? ? 0 ?args ? [Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "MathTest.java"
mac@MacdeMacBook-Pro ch2_class_loader %?

大白话：

? ? ? ? 注意，如果整型常用值不在-128~127之间，这里就不是bipush命令了。

继续参照上面的流程，将22和33推入操作数栈，然后出栈并存放到局部变量表，结果如下：

指令10执行结果：

问题1：为什么不是在操作数栈直接计算呢？

答：这是因为有些运算比较复杂，比如a+b*c,此时拿到操作数栈拿到a和b并不能运算，而是要拿到c,先进行b和c的运算。

问题2：为什么计算时，需要现将局部变量表的变量，拿到操作数栈，而不是直接计算呢？

答：涉及到算法优先级问题，先出栈算出优先级结果，再继续计算。

六、第三步：轻松掌握本地方法(native)接口与线程调用的底层原理

七、直接内存介绍与应用简介

八、第五步：掌握方法区的功能与内部结构（上）

大白话：

? ? ? ? 程序在执行的过程中，需要大量的底层的核心类和扩展类的支持。

大白话：

? ? ? ? 1.类型信息 - 类的基础信息，比如是抽象类？

? ? ? ? 2.域信息 - 类中定义的变量

? ? ? ? 4. 5. 有的时候是单独拎出来，有的时候是归为2

大白话：

? ? ? ? 4.常见类型有七八种，都是经常使用的类型

? ? ? ? 3.见下图

大白话：

? ? ? ? 1.变量 -

????????????????如果带final参数，在链接阶段的准备阶段就已经完成初始化了；

? ? ? ? ? ? ? ? 如果不带final参数，在链接阶段，会首先初始化为一个默认值，到了第三阶段(初始化阶段)再将其初始化为对应的值。

九、第五步：掌握方法区的功能与内部结构（下）

大白话：

? ? ? ? 之所以变量叫域，是因为变量可以是类的，也可以是方法的，容易搞混，所以就叫域。

解释：

? ? ? ? LineNumberTable:

? ? ? ? ? ? ? ? line 7: 0

? ? ? ? ? ? ? ? line 9: 6

前面那个数字对应代码的行号，后面那个数字对应指令数字。

总结：

? ? ? ? 常量池就是把常用的值、方法等放入常量池，方便后面使用。

十、【堆结构】第六步：一步一图剖析JVM的内存分配策略

解释：

? ? ? ? 上图为windows下的磁盘清理截图

????????