一. JVM的运行数据区

首先我简单来画一张 JVM的结构原理图,如下。

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我们重点关注 JVM在运行时的数据区,你可以看到在程序运行时,大致有5个部分。

1.方法区

不止是存“方法”,而是存储整个 class文件的信息jvm调优,JVM运行时,类加载器子系统将会提取 class文件里面的类信息,并将其存放在方法区中。例如类的名称、类的类型(枚举、类、接口)、字段、方法等等。

2.堆( Heap)

熟习 c/c++编程的同学们应该相当熟习 Heap了,而对于Java而言,每个应用都唯一对应一个JVM实例,而每一个JVM实例唯一对应一个堆。堆主要包括关键字 new的对象实例、 this指针,或者者数组都放在堆中,并由应用所有的线程共享。堆由JVM的自动内存管理机制所管理,名为垃圾回收—— GC(garbage collection)。

3.栈( Stack)

操作系统内核为某个进程或者者线程建立的存储区域,它保存着一个线程中的方法的调用状态,它具备先进后出的特性。在栈中的数据大小与生命周期严格来说都是确定的,例如在一个函数中公告的int变量便是存储在 stack中,它的大小是固定的,在函数退出后它的生命周期也从此结束。在栈中,每一个方法对应一个栈帧,JVM会对Java栈执行两种操作:压栈和出栈。这两种操作在执行时都是以栈帧为单位的。还有少量即时编译器编译后的代码等数据。

4.PC寄存器

pc寄存器用于存放一条指令的地址,每一个线程都有一个PC寄存器。

5.本地方法栈

用来调用其余语言的本地方法,例如 C/C++写的本地代码, 这些方法在本地方法栈中执行,而不会在Java栈中执行。

二. 数据类型

Java虚拟机中,数据类型可以分为两类:基本类型和引用类型。

三. 堆与栈

堆和栈是程序运行的关键,很有必要把他们的关系说清楚。

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栈是运行时的单位,而堆是存储的单位。

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。

在Java中一个线程就会相应有一个线程栈与之对应,这点很容易理解,因为不同的线程执行逻辑有所不同,因此需要一个独立的线程栈。而堆则是所有线程共享的。

栈因为是运行单位,因此里面存储的信息都是跟当前线程(或程序)相关信息的。包括局部变量、程序运行状态、方法返回值等等;而堆只负责存储对象信息。

为什么要把堆和栈区分出来呢?栈中不是也可以存储数据吗?

第一,从软件设计的角度看,栈代表了处理逻辑,而堆代表了数据。这样分开,使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。

第二,堆与栈的分离,使得堆中的内容可以被多个栈共享(也可以理解为多个线程访问同一个对象)。这种共享的收益是很多的。一方面这种共享提供了一种有效的数据交互方式(如:共享内存),另一方面,堆中的共享常量和缓存可以被所有栈访问,节省了空间。

第三,栈因为运行时的需要,比如保存系统运行的上下文,需要进行地址段的划分。由于栈只能向上增长,因此就会限制住栈存储内容的能力。而堆不同,堆中的对象是可以根据需要动态增长的,因此栈和堆的拆分,使得动态增长成为可能,相应栈中只需记录堆中的一个地址即可。

第四,面向对象就是堆和栈的完美结合。其实,面向对象方式的程序与以前结构化的程序在执行上没有任何区别。但是,面向对象的引入,使得对待问题的思考方式发生了改变,而更接近于自然方式的思考。当我们把对象拆开,你会发现,对象的属性其实就是数据,存放在堆中;而对象的行为(方法),就是运行逻辑,放在栈中。我们在编写对象的时候,其实即编写了数据结构,也编写的处理数据的逻辑。不得不承认,面向对象的设计,确实很美。

在 Java 中,main 函数就是栈的起始点,也是程序的起始点。

程序要运行总是有一个起点的。同 C 语言一样,java 中的 main 就是那个起点。无论什么 java 程序,找到 main 就找到了程序执行的入口。

四. Java对象的大小

基本数据的类型的大小是固定的,这里就不多说了。对于非基本类型的Java对象,其大小就值得商榷。

在Java中,一个空Object对象的大小是8byte,这个大小只是保存堆中一个没有任何属性的对象的大小。看下面语句:

Object ob = new Object();

这样在程序中完成了一个Java对象的生命,但是它所占的空间为:4byte+8byte。4byte是上面部分所说的Java栈中保存引用的所需要的空间。而那8byte则是Java堆中对象的信息。

因为所有的Java非基本类型的对象都需要默认继承Object对象,因此不论什么样的Java对象,其大小都必须是大于8byte。

有了Object对象的大小,我们就可以计算其他对象的大小了。

Class NewObject {

int count;

boolean flag;

Object ob;

}

其大小为:空对象大小(8byte)+int大小(4byte)+Boolean大小(1byte)+空Object引用的大小(4byte)=17byte。但是因为Java在对对象内存分配时都是以8的整数倍来分,因此大于17byte的最接近8的整数倍的是24,因此此对象的大小为24byte。

这里需要注意一下基本类型的包装类型的大小。因为这种包装类型已经成为对象了,因此需要把他们作为对象来看待。包装类型的大小至少是12byte(声明一个空Object至少需要的空间),而且12byte没有包含任何有效信息,同时,因为Java对象大小是8的整数倍,因此一个基本类型包装类的大小至少是16byte。

这个内存占用是很恐怖的,它是使用基本类型的N倍(N>2),有些类型的内存占用更是夸张(随便想下就知道了)。因此,可能的话应尽量少使用包装类。在JDK5.0以后,因为加入了自动类型装换,因此,Java虚拟机会在存储方面进行相应的优化。

五. 引用类型

对象引用类型分为强引用、软引用、弱引用和虚引用。

强引用:就是我们一般声明对象是时虚拟机生成的引用,强引用环境下jvm调优,垃圾回收时需要严格判断当前对象是否被强引用,如果被强引用,则不会被垃圾回收

软引用:软引用一般被做为缓存来使用。与强引用的区别是,软引用在垃圾回收时,虚拟机会根据当前系统的剩余内存来决定是否对软引用进行回收。

如果剩余内存比较紧张,则虚拟机会回收软引用所引用的空间;如果剩余内存相对富裕,则不会进行回收。

换句话说,虚拟机在发生OutOfMemory时,肯定是没有软引用存在的。

弱引用:弱引用与软引用类似,都是作为缓存来使用。但与软引用不同,弱引用在进行垃圾回收时,是一定会被回收掉的,因此其生命周期只存在于一个垃圾回收周期内。

强引用不用说,我们系统一般在使用时都是用的强引用。而“软引用”和“弱引用”比较少见。他们一般被作为缓存使用,而且一般是在内存大小比较受限的情况下做为缓存。

因为如果内存足够大的话,可以直接使用强引用作为缓存即可,同时可控性更高。因而,他们常见的是被使用在桌面应用系统的缓存。

六.Java中参数传递时传值还是传引用?

要说明这个问题,先要明确两点:

1.不要试图与C进行类比,Java中没有指针的概念

2.程序运行永远都是在栈中进行的,因而参数传递时,只存在传递基本类型和对象引用的问题。不会直接传对象本身。

明确以上两点后。Java在方法调用传递参数时,因为没有指针,所以它都是进行传值调用(这点可以参考C的传值调用)。因此,很多书里面都说Java是进行传值调用,这点没有问题,而且也简化的C中复杂性。

但是传引用的错觉是如何造成的呢?在运行栈中,基本类型和引用的处理是一样的,都是传值,所以,如果是传引用的方法调用,也同时可以理解为“传引用值”的传值调用,即引用的处理跟基本类型是完全一样的。但是当进入被调用方法时,被传递的这个引用的值,被程序解释(或者查找)到堆中的对象,这个时候才对应到真正的对象。如果此时进行修改,修改的是引用对应的对象,而不是引用本身,即:修改的是堆中的数据。所以这个修改是可以保持的了。

public class TestValTran {
public static void main(String[] args) { TestValTran testValTran = new TestValTran();
int i = 1; int j = 2; testValTran.swap1(i, j); System.out.println("i = " + i + ", j = " + j);
User user = new User(1, 2); testValTran.swap2(user); System.out.println("user.i = " + user.getI() + ", user.j = " + user.getJ());
User user1 = new User(1, 2); testValTran.swap3(user1); System.out.println("user1.i = " + user1.getI() + ", user1.j = " + user1.getJ()); }
/*** * 基本的数据类型,对应每个方法所对应的栈幁都有自己的局部变量表。也就是会自己创建一个基本数据类型的对象,不会对真实的对象产生影响 * * @param a * @param b */ public void swap1(int a, int b) { int temp = b; b = a; a = temp; }
/** * 这种方式对user不会发生变化,只是把局部变量user先传递为外部user的引用,然后又重新重新赋值为temp的引用。没有对外部user引用的真实对象进行操作。所以不会生效 * * @param user */ public void swap2(User user) { User temp = new User(2, 1); user = temp; }
/** * 这种传递了对象的引用之后,又获取了引用的对象,进行了修改,所以能生效 * * @param user */ public void swap3(User user) { int temp = user.getJ(); user.setJ(user.getI()); user.setI(temp); }}

对象,从某种意义上说,是由基本类型组成的。可以把一个对象看作为一棵树,对象的属性如果还是对象,则还是一颗树(即非叶子节点),基本类型则为树的叶子节点。程序参数传递时,被传递的值本身都是不能进行修改的,但是,如果这个值是一个非叶子节点(即一个对象引用),则可以修改这个节点下面的所有内容。

堆和栈中,栈是程序运行最根本的东西。程序运行可以没有堆,但是不能没有栈。而堆是为栈进行数据存储服务,说白了堆就是一块共享的内存。不过,正是因为堆和栈的分离的思想,才使得Java的垃圾回收成为可能。

Java中,栈的大小通过-Xss来设置,当栈中存储数据比较多时,需要适当调大这个值,否则会出现java.lang.StackOverflowError异常。常见的出现这个异常的是无法返回的递归,因为此时栈中保存的信息都是方法返回的记录点。

七. Java虚拟机中对象的访问及存放

举个实例Student stu=new Student();

这份代码中Student stu是一个引用变量所以存放在java虚拟机栈上,new Student()是一个实例对象存放在java堆上。另外,在Java 堆中还必须包含能查找到此对象类型数据(如对象类型、父类、实现的接口、方法等)的地址信息,这些类型数据则存储在方法区中。

由于reference 类型在Java 虚拟机规范里面只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通过哪种方式去定位,以及访问到Java 堆中的对象的具体位置,因此不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同,主流的访问方式有两种:使用句柄和直接指针。如果使用句柄访问方式Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息,如下图所示。

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指针方式

Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型

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这两种对象的访问方式各有优势,使用句柄访问方式的最大好处就是reference 中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针,而引用对象本身不需要被修改。使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快,它节省了一次指针定位的时间开销,由于对象的访问在Java 中非常频繁,因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

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