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JVM运行时数据区-线程共享

方法区(永久代)

方法区在JVM中也是一个非常重要的区域,它与堆一样,是被线程共享的区域。在方法区中,存储了每个类的信息(包括类的名称、方法信息、字段信息)、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。

方法区(method area)只是JVM规范中定义的一个概念,用于存储类信息、常量池、静态变量、JIT编译后的代码等数据,具体放在哪里,不同的实现可以放在不同的地方。而永久代Hotspot虚拟机特有的概念,是方法区的一种实现,别的JVM都没有这个东西

​ 主要存放已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数据(比如spring 使用IOC或者AOP创建bean时,或者使用cglib,反射的形式动态生成class信息等)。

方法区结构

classLoader是如何加载class文件和存储文件信息的

​ 当一个classLoder启动的时候,classLoader的生存地点在jvm中的堆,然后它会去主机硬盘上将A.class装载到jvm的方法区,方法区中的这个字节文件会被虚拟机拿来new A字节码(),然后在堆内存生成了一个A字节码的对象,然后A字节码这个内存文件有两个引用一个指向A的class对象,一个指向加载自己的classLoader。那么方法区中的字节码内存块,除了记录一个class自己的class对象引用和一个加载自己的ClassLoader引用之外,还记录了什么信息呢??

方法区关键信息介绍

类信息
  • 类型的全限定名
  • 超类的全限定名
  • 直接超接口的全限定名
  • 类型标志(该类是类类型还是接口类型)
  • 类的访问描述符(public、private、default、abstract、final、static)
类型的常量池
     存放该类型所用到的常量的有序集合,包括直接常量(如字符串、整数、浮点数的常量)和对其他类型、字段、方法的符号引用。常量池中每一个保存的常量都有一个索引,就像数组中的字段一样。因为常量池中保存中所有类型使用到的类型、字段、方法的字符引用,所以它也是动态连接的主要对象(在动态链接中起到核心作用)。
字段信息(该类声明的所有字段)
  • 字段修饰符(public、protect、private、default)
  • 字段的类型
  • 字段名称
方法信息

方法信息中包含类的所有方法,每个方法包含以下信息

  • 方法修饰符
  • 方法返回类型
  • 方法名
  • 方法参数个数、类型、顺序等
  • 方法字节码
  • 操作数栈和该方法在栈帧中的局部变量区大小
  • 异常表
类变量(静态变量)

​ 指该类所有对象共享的变量,即使没有任何实例对象时,也可以访问的类变量。它们与类进行绑定。

指向类加载器的引用

​ 每一个被JVM加载的类型,都保存这个类加载器的引用,类加载器动态链接时会用到。

指向Class实例的引用

​ 类加载的过程中,虚拟机会创建该类型的Class实例,方法区中必须保存对该对象的引用。通过Class.forName(String className)来查找获得该实例的引用,然后创建该类的对象。

方法表

​ 为了提高访问效率,JVM可能会对每个装载的非抽象类,都创建一个数组,数组的每个元素是实例可能调用的方法的直接引用,包括父类中继承过来的方法。这个表在抽象类或者接口中是没有的,类似C++虚函数表vtbl。

常量池

Class文件中的常量池

​ 在Class文件结构中,最头的4个字节用于存储Megic Number,用于确定一个文件是否能被JVM接受,再接着4个字节用于存储版本号,前2个字节存储次版本号,后2个存储主版本号,再接着是用于存放常量的常量池,由于常量的数量是不固定的,所以常量池的入口放置一个U2类型的数据(constant_pool_count)存储常量池容量计数值。

​ 常量池主要用于存放两大类常量:字面量(Literal)和符号引用量(Symbolic References),字面量相当于Java语言层面常量的概念,如文本字符串,声明为final的常量值等,符号引用则属于编译原理方面的概念,包括了如下三种类型的常量:

  • 类和接口的全限定名
  • 字段名称和描述符
  • 方法名称和描述符
运行时常量池

​ 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,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

​ 运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性,Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生,也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用比较多的就是String类的intern()方法。

常量池的好处

​ 常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能,其实现了对象的共享。

​ 例如字符串常量池,在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。

  • (1)节省内存空间:常量池中所有相同的字符串常量被合并,只占用一个空间。
  • (2)节省运行时间:比较字符串时,==比equals()快。对于两个引用变量,只用==判断引用是否相等,也就可以判断实际值是否相等。
双等号==的含义
  • 基本数据类型之间应用双等号,比较的是他们的数值。
  • 复合数据类型(类)之间应用双等号,比较的是他们在内存中的存放地址。
基本类型的包装类和常量池

​ java中基本类型的包装类的大部分都实现了常量池技术,即Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean。

​ 这5种包装类默认创建了数值[-128,127]的相应类型的缓存数据,但是超出此范围仍然会去创建新的对象。 两种浮点数类型的包装类Float,Double并没有实现常量池技术。

堆区

堆是需要重点关注的一块区域,因为涉及到内存的分配(new关键字,反射等)与回收(回收算法,收集器等)

几乎所有的对象都是在堆中分配。

​ 对于大多数应用来说,Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配在堆上也渐渐变得没那么绝对了。

​ Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称“GC堆”(Garbage Collected Heap)。从内存回收的角度看,现在收集器基本都是采用的分代收集算法,所以Java堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有Eden空间、F rom Survivor空间、To Survivor空间等。如果从内存分配的角度看,线程共享的Java堆可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer ,TLAB)。无论如何划分,进一步划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。

​ 根据虚拟机规范的规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可。在实现时,可以是固定大小的,也可以是扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx -Xms 控制)。如果在堆中没有内存完成 实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

特点

  • 存储的全部是对象,每个对象包含一个与之对应的class信息–class的目的是得到操作指令。

  • jvm只有一个堆区(heap)被所有线程共享,堆区中不存放基本类型和对象引用,只存放对象本身。

  • 堆的优势是可以动态地分配内存大小,生存期也不必事先告诉编译器,因为它是在运行时动态分配内存的,Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。

  • 缺点是,由于要在运行时动态分配内存,存取速度较慢。

直接内存

​ 直接内存不是Java虚拟机规范中定义的内存区域,但是这部分内存也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK1.4中新加入了NIO(New Input/Output)类,引入了一种基于通道(Channel)缓冲区(Buffer)的I/O方式,它可以使用Native函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用 进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能,因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

总结

堆栈方法区的区别

存储内容的区别

栈:为即时调用的方法开辟空间,存储局部变量值(基本数据类型)局部变量引用,对象属性的引用。当一段代码或者一个方法调用完毕后,栈中为这段代码所提供的基本数据类型或者对象的引用立即被释放;注意:局部变量必须手动初始化。

存放引用类型的对象,即new出来的对象、数组值、类的非静态成员变量值(基本数据类型)、非静态成员变量引用。其中非静态成员变量在实例化时开辟空间初始化值。(类中属于全局变量的基本数据类型也存放在堆中)。一个java对象占用的内存空间,除了一个固定大小的空间用于描述这个对象属于哪个类,其它的就用于保存它的字段的值;堆比栈要大。

方法区存放class二进制文件。包含类信息、静态变量,常量池(String字符串和final修饰的常量值等),类的版本号等基本信息。静态成员变量是在方法区的静态域里面,而静态成员方法是在方法区的class二进制信息里面(.class文件和方法区里面的二进制信息不一样,读取.class文件按照虚拟机需要的格式存储在方法区,这种格式包括数据结构方面。)因为是共享的区域,所以如果静态成员变量的值或者常量值(String类型的值能够非修改)被修改了直接就会反应到其它类的对象中。

基本类型的地址和值都存在栈中,但是两个相同值的基本类型的地址不同,其中的==比较被重写

成员变量存放在堆中,就算是int a[]=new int[10],也都是存放在堆中,包括a[2]=1.而局部变量存放于栈中

定义的区别

:FIFO队列优先,先进先出。jvm只有一个堆区被所有线程所共享!堆存放在二级缓存中,调用对象的速度相对慢一些,生命周期由虚拟机的垃圾回收机制定。

:FILO先进后出,暂存数据的地方。每个线程都包含一个栈区!栈存放在一级缓存中,存取速度较快,“栈是限定仅在表头进行插入和删除操作的线性表”。

方法区:用来存放方法和static变量。

优缺点

堆的优点-可以动态的分配内存大小,生命周期不确定。缺点-速度略慢

栈的优点-速度快,缺点-存在栈中的数据大小和生命周期必须是明确的,缺少灵活性。

直接内存(堆外内存)与堆内存比较
  • 直接内存申请空间耗费更高的性能,当频繁申请到一定量时尤为明显

  • 直接内存IO读写的性能要优于普通的堆内存,在多次读写操作的情况下差异明显

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