深入理解Java虚拟机-运行时数据区

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 # 运行时数据区
 
-> **运行时数据区**是指Java虚拟机（JVM）在运行Java程序时用于存储数据的内存区域，分为程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆和方法区五个部分。
+> **运行时数据区**是指在运行程序时存储数据的内存区域。分为程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆和方法区五个部分。
 
 ![Java虚拟机运行时数据区](https://img.geekyspace.cn/pictures/2024/202408102247073.png)
 
+* **线程私有：**
+  * **程序计数器** - 存储线程执行位置
+  * **虚拟机栈** - 存储Java方法调用与执行过程的数据
+  * **本地方法栈** - 存储本地方法的执行数据
+* **线程共享：**
+  * **堆** - 主要存储对象
+  * **方法区** - 存储类/方法/字段等定义(元)数据
+  * **运行时常量区** - 保存常量static数据
+
 ## 程序计数器
 
-> **程序计数器**（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看做当前线程所执行字节码的行号指示器。
-> 每个线程都有一个独立的程序计数器，用于记录线程执行的位置，以便线程切换后能恢复到正确的位置。
+> **程序计数器**是线程私有的，用于记录当前程序执行的字节码指定位置。
+
+**知识点：**
+
+1. 线程私有
+2. 不会被垃圾回收
+3. 访问速度最快（JVM内存区域中）
+4. 占用内存少，不会出现`OutOfMemoryError`
+5. 执行Java方法时，记录的是字节码指令地址
+6. 执行Native方法时，记录为未定义（`undefined`）
+
+**思考以下问题，加强理解：**
 
-* Java方法执行时，程序计数器记录字节码指令地址
-* Native方法执行时，程序计数器为空（Undefined）
-* 此区域不抛出`OutOfMemoryError`异常
+1. 程序计数器如何保证线程能够准确地恢复到之前的执行位置？
+2. 字节码执行与程序计数器的关系？
 
-## Java虚拟机栈
+## 虚拟机栈
 
-> **Java虚拟机栈**（Java Virtual Machine Stack）是线程私有的内存区域，其生命周期与线程相同。
-> 它描述了方法执行的内存模型。当方法被执行时，JVM 会为该方法同步创建一个**栈帧**（Stack Frame）。
+> **虚拟机栈**是线程私有的内存区域，其生命周期与线程相同。
+> 它描述了**方法执行的内存模型**。当方法被执行时，JVM会为该方法同步创建一个==栈帧（Stack Frame）==。
 
-* 每个方法从调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
-* 可以通过参数`-Xss`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。
-* 栈帧用于存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
+**知识点：**
 
-![栈帧的概念结构](https://img.geekyspace.cn/pictures/2024/202408112312001.png)
+1. 线程私有 
+2. 不会被垃圾回收 
+3. 访问速度仅次于程序计数器
+4. 栈大小可设置，限制深度：
+   * 推荐固定大小设置（`-Xss 数值[k|m|g]`），达到上限，抛出`StackOverflowError`
+   * 动态扩展，可用内存不足时，抛出`OutOfMemoryError`
 
-* **局部变量表（Local Variable Table）：** 方法执行时用于存储方法参数和局部变量的一块内存空间。
-* **操作数栈（Operand Stack）：** 后进先出（LIFO）结构，用于方法执行时存储执行指令产生中间结果。
-* **动态链接（Dynamic Linking）：** 指在方法调用时，将符号引用转换为直接引用的过程。
-* **方法返回地址(Return Address)：** 指方法调用后返回位置的地址。
+**栈帧的内部结构：**
+
+![栈帧的概念结构](https://pdai.tech/images/jvm/jvm/0082zybply1gc8tjehg8bj318m0lbtbu.jpg)
+
+* **局部变量表：** 用于存储方法中的局部变量和参数。
+* **操作数栈：** 后进先出（LIFO）结构，用于方法执行时存储执行指令产生中间结果。
+* **动态链接：** 指在方法调用时，将符号引用转换为直接引用的过程。
+* **方法返回地址：** 指方法调用后返回位置的地址。
 
 ## 本地方法栈
 
-> 本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈功能非常相似，其区别在于：
-> * 虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务
-> * 本地方法栈则为虚拟机执行本地（Native）方法服务
+> **本地方法栈**是线程私有，与虚拟机栈功能相似。其中虚拟机栈为Java方法（字节码）服务，本地方法栈则为Native方法服务。
 
-HotSpot虚拟机把虚拟机栈和本地方法栈合二为一
+* HotSpot虚拟机把虚拟机栈和本地方法栈合二为一。
+* 与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出`StackOverflowError`和`OutOfMemoryError`异常。
 
 ## Java堆
 
-> Java堆（Java Heap）是虚拟机管理的内存中最大的一块，线程共享，并在虚拟机启动时创建。
+> **Java堆**是虚拟机管理的内存中最大的一块，线程共享，并在虚拟机启动时创建。
 > 它的唯一目的是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在堆上分配。
 
+**堆内存模型：**
+
 ![堆内存模型](https://img.geekyspace.cn/pictures/2024/202407172004168.png)
 
-* **新生代 (Young Generation)：**
-  * 通常由Eden区和两个Survivor区(被称为from/to或s0/s1)组成，默认比例是`8:1:1`。
-  * 大多数新创建的对象都在新生代分配内存，被填满时会触发一次`Minor GC`（小型垃圾回收）。
-  * 使用的垃圾收集算法通常是复制算法，将存活的对象复制到Survivor区，然后清理Eden区和使用过的Survivor区。
-* **老年代 (Old Generation / Tenured Generation)：**
-  * 通过多次新生代垃圾收集后任然存活的对象会被晋升到老年代。
-  * 老年代的对象相对来说生命周期较长，垃圾回收（`Major GC`或`Full GC`）相对较少，一旦发生，会比`Minor GC`耗时。
+现代垃圾收集器采用分代收集理论进行设计，因此堆内存被划分为多个区域，包括：
+
+* **新生代：**
+  * 存放生命周期较短的对象 
+  * 通常由Eden区和两个Survivor区(被称为from/to或s0/s1)组成，默认比例是`8:1:1`
+  * 填满时触发`Minor GC`（小型垃圾回收）
+  * 采用复制算法，将存活的对象复制到Survivor区，然后清理Eden区和使用过的Survivor区。
+* **老年代：**
+  * 存放生命周期较长，或多次垃圾收集后任然存活的对象
+  * 填满时触发`Major GC`或`Full GC`，耗时严重
   * 使用的垃圾收集算法通常是标记-清除算法或标记-整理算法。
-* **元空间 (Metaspace)：** 
-  * 从JDK8开始，永久代（PermGen）被元空间取代。
-  * 元空间使用的是本地内存，而不是JVM堆内存。
-  * 元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过参数进行调整。
+* **永久代（PermGen）：** 
+  * 存放Class元数据，包括类结构、方法、字段信息等
+  * 属于“堆”的一部分，无法扩展时会抛出`OutOfMemoryError`异常
+  * 通过命令`-Xms`设置初始堆大小，`-Xmx`设定最大堆大小
+  * 从JDK8开始，被元空间（Metaspace）取代，称为“非堆”，使用的是本地内存
 
 [DigitalOcean——Java （JVM） 内存模型 - Java 中的内存管理](https://www.digitalocean.com/community/tutorials/java-jvm-memory-model-memory-management-in-java)
 
 ## 方法区
 
-> 方法区（Method Area）是JVM规范中定义的一个概念，用于被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、JIT编译器编译后的代码等数据。
+> **方法区**是JVM规范中的一个逻辑区域，用于存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等。
 
-在Java8之前，方法区被称为“**永久代**（PermGen）”。
-
-从Java8开始，方法区的实现被改为**元空间**（Metaspace），元空间使用的是本地内存，而不是像永久代那样在JVM的堆内存中分配。
+* 在Java7的时候，方法区被称为“**永久代**（PermGen）”。 
+* 从Java8开始，方法区的实现被改为**元空间**（Metaspace），元空间使用的是本地内存，而不是像永久代那样在JVM的堆内存中分配。
 
 ## 运行时常量池
 
-运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。
+> **运行时常量池**是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，支持在运行时动态添加新的常量。
+
+* **字面量：** 表示固定的数据值，如整数、浮点数、字符串等常量。
+* **符号引用：** 一组符号，用于描述所引用的目标，包括类和接口的全限定名、字段和方法的名称。
+
+**知识点：**
+
+1. 具备动态性，如`String.intern()`方法将字符串对象添加到运行时常量池中。 
+2. 会产生`OutOfMemoryError`异常
+
+**思考以下问题，加强理解：**
+
+1. Class常量池与运行时常量池的关系？
+
+## 直接内存
 
-Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
+**直接内存**并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也未在《Java虚拟机规范》中明确定义。
+然而，由于其频繁使用且可能导致`OutOfMemoryError`异常，值得在此进行讨论。
 
-## 直接内存
+**关键点：**
+- **NIO的引入：** JDK 1.4引入了NIO（New Input/Output）类，通过通道（Channel）和缓冲区（Buffer）实现了一种新的I/O方式。它使用本地（Native）函数库直接分配堆外内存，并通过在Java堆中的`DirectByteBuffer`对象进行引用和操作。
+- **性能优势：** 这种方法能够显著提高性能，因为它避免了在Java堆和本地堆之间的数据复制，从而加快了I/O操作。
+- **内存限制：** 虽然直接内存的分配不受Java堆大小的限制，但仍受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或分页文件）大小和处理器寻址空间的限制。
+- **配置问题：** 在配置虚拟机参数（如`-Xmx`）时，管理员通常会根据实际物理内存来设置Java堆的大小，但可能忽略直接内存的占用。如果各个内存区域的总和超过了物理内存限制，可能在动态扩展时导致`OutOfMemoryError`异常。
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