第一篇第一部分：JVM的大概结构，运行时数据区，和对象的创建以及对象的组成（总体的第一篇）

本文主要是介绍第一篇第一部分：JVM的大概结构，运行时数据区，和对象的创建以及对象的组成（总体的第一篇），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

也是看了好多博主写的文章，也看几个视频讲的java虚拟机，我感觉自己写代码的时候，也迫切的想知道java代码到底是怎么样执行的，看了好几篇文章，问了我的老师，我感觉他们讲的都比较零碎，由于自己也比较喜欢专研这种技术，这种问题的来源必须是咱们的JVM，于是这个假期自己借了一本书来自己研究研究。接下来开始吧。我看的是深入理解java虚拟机，周志明老师写的
今天先了解西下面这两部分内容吧。有朋友一起的话，可以私信哦，咱们一起学习，如果有什么问题的话，希各位大佬指出，必改。

1、首先来弄清楚java代码的解析执行流程

首先咱们都知道基本的高级语言的执行过程都是如下图所示，那咱们的java代码到底是如何执行的呢?
我们的java程序也是一样的道理，但是我们的java提供了JVM实现了跨平台呀，等一系列的辅助操作
从上面图中咱们可以粗略的分析一波嘛，之后在后续的文章中慢慢的深入的学习。
- 首先就是咱们编写的类：首先利用我们的javac.exe（也就是前端编译器）执行XXX.java的文件
- 经过上面的一个执行后：就会生成XXX.class文件，这个文件就会符合我们的Java虚拟机规范来在java虚拟机上执行。
- 然后就是以XXX.class文件在jvm上执行

2、分析一下运行时数据区域

有了上面的加载过程的大概了解后，咱们接下来看一看JVM的运行内存区域，看清楚哦，现在咱们只是分析一下运行时内存区域。
下图主要是针对HotSpot虚拟机
在这里插入图片描述

（1）程序计数器

咱们先来看深入理解java虚拟机作者对它的描述：

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的
字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里[1]，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器
的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处
理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一
个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因
此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程
之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地
址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）。此内存区域是唯
一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

这段话要理解的是：咱们就这样记住

看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
咱们java的多线程实现机制是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，每条线程都需要有一个独立的程序计数器
如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地
址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）

其实可以把它理解为对一条条指令级别的就好理解多了，就比如咱们在文件里面写的是：if呀，else呀，什么的这样的判断。也就是在方法内部包括的内容。

（2）java虚拟机栈

同样的咱们先来看这个

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期
与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都
会同步创建一个栈帧[1]（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信
息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

我自己的理解的要点
- Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。
- 每执行到一个方法都会创建一个栈帧，用于存储我们的变量表，操作数栈，动态连接，方法出口等。
  - 变量表：它就是存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean等）、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址），这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和
    double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个
- 每当一个方法执行完了后，它在栈里面就会被移除栈的一个过程。
- 如果有问题就报两个错：
  - 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常
  - 如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展[2]，当栈扩
    展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

总结：我感觉可以把它理解为基于方法层面的，它是以一个个方法为单位的操作。

（3）本地方法栈

这个很好理解，前提是你理解了咱们上面个java虚拟机栈的情况下。

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。而且它也是线程私有的哦。

找了好久，找到了这张图，用native定义的方法
而且只要用native定义的方法是比较快的，因为这个是自己去调用系统内部的指令去执行，所以相比较肯定是这个比较快的。
如果有问题也同样的是报两个错：
- 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常
- 如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展[2]，当栈扩
展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

（4）java堆

同样的咱们先来看作者对它的描述吧

对于Java应用程序来说，Java堆（Java Heap）是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，Java
世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。在《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是：“所有
的对象实例以及数组都应当在堆上分配[1]”，而这里笔者写的“几乎”是指从实现角度来看，随着Java语
言的发展，现在已经能看到些许迹象表明日后可能出现值类型的支持，即使只考虑现在，由于即时编
译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换[2]优化手段已经导致一些微妙
的变化悄然发生，所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

这一块得好好的来理顺一下

首先：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，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存，但是现在不同当日，技术在不断的更新迭代，在java堆是唯一的分配内存区域有点绝对了。
它是垃圾回收的主要区域：也会把它叫做GC堆。
从内存回收的角度：看见没有，是从内存回收的角度分的，所以Java堆中经常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“Eden空间”“From Survivor空间”“To Survivor空间”等名词
如果从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提升对象分配时的效率。不过无论从什么角度，无论如何划分，都不会改变Java堆中存储内容的共性，无论是哪个区域，存储的都只能是对象的实例，将Java堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
堆内存是可以设置为固定大小，也可以你自己来设置，也就是通过（通过参数-Xmx和-Xms设定）。
如果有错误的话，会报Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

我感觉这个是基于整体在讲：就讲的是堆这个整体，它就是存储对象的，不管你分多少，都是用来存储对象的，你分那么多的目的就是为了我们回收内存

（5）方法区

继续来看作者对它的描述

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫作“非堆”（Non-Heap），目的是与Java堆区分开来。说到方法区，不得不提一下“永久代”这个概念，尤其是在JDK 8以前，许多Java程序员都习惯在
HotSpot虚拟机上开发、部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”（Permanent
Generation），或将两者混为一谈。本质上这两者并不是等价的，因为仅仅是当时的HotSpot虚拟机设
计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样使得
HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的
工作。但是对于其他虚拟机实现，譬如BEA JRockit、IBM J9等来说，是不存在永久代的概念的。原则
上如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受《Java虚拟机规范》管束，并不要求统一。但现在回头
来看，当年使用永久代来实现方法区的决定并不是一个好主意，这种设计导致了Java应用更容易遇到
内存溢出的问题（永久代有-XX：MaxPermSize的上限，即使不设置也有默认大小，而J9和JRockit只要
没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系统中的4GB限制，就不会出问题），而且有极少数方法
（例如String::intern()）会因永久代的原因而导致不同虚拟机下有不同的表现。当Oracle收购BEA获得了
JRockit的所有权后，准备把JRockit中的优秀功能，譬如Java Mission Control管理工具，移植到HotSpot
虚拟机时，但因为两者对方法区实现的差异而面临诸多困难。考虑到HotSpot未来的发展，在JDK 6的
时候HotSpot开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计
划了[1]，到了JDK 7的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出，而到了
JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

同样的自己来理解
- 与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
- 如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出
  OutOfMemoryError异常。
- 我是感觉这个根永生代没什么区别，各位可以自己看一下作者的描述。在后续的学习中再来看待这问题吧。

（6）运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。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。Java虚拟机对于Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，如每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、加载和执行，但对于运行时常量池，《Java虚拟机规范》并没有做任何细节的要求，不同提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域，不过一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中[1]。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，也就是说，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，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便String类的intern()方法

当常量池无法再申请到内存时会抛OutOfMemoryError异常。

3、对象的创建

这里讲述的是普通对象：也就是我们自己写的一个个类呀，还有比如java自己提供的类呀，这部分，但是不包括的是有三种特殊情况

比较特殊的数组和Class类。因为我们都是Class是java反射等的使用，是比较特殊的。而数组又和我们的简单的byte,int等是java内部处理的，比较特殊，后面我们在细讲。
第二就是复制：复制和克隆都是比较特殊的。
反序列化：这个是java反射的一个基础。

总体的来说，普通对象的创建都会分为如下步骤

首先就要遇见new关键字，它是新生对象的开始，遇见了就才可能会创建。首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
加载什么的都通过了之后，就要在堆中给他分配内存了吧，不过对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定。具体分配的方式有两种
- 指针碰撞：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰（Bump ThePointer）
- 维护空闲列表：但如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。
- 还有比较重要的一个概念：本地线程分配缓冲（Thread Local AllocationBuffer，TLAB），因为JVM在加载创建对象时，可能会同时创建A对象，B对象（或者更多，A和B可能是同一个类的对象，也可能不是同一个类的对象）的时候不是线程安全的，就可能会导致出现错误，所以会在每个线程都会在java堆中预先分配一个内存，这个内存用来缓冲一个下创建多个对象。这个内存就叫TAAB。
内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。
分配完了后，接下来对对象进行必要的设置
- 到底是哪个类的对象（比如是Arrays，还是ArrayList等的）
- 如何找到类的元数据信息
- 对象哈希码（这个其实会延后到调用Object的hashCode（）方式才计算）
- 对象的GC分代年龄等
- 以上信息都是存在了对象头。

从java虚拟机的角度来看，一个对象已经生成了，但是从java程序的视角来看，是才刚刚开始。

对象创建才刚刚开始——构造函数，即Class文件中的()方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。（由字节码流中new指令后面是否跟随invokespecial指令所决定）
- 这里补充一下这个init方法，当XXX.java在被编译后，就会在生成的XXX.class文件里面生成init方法，它就是叫实例构造器，也就是在实例化对象的时候会去调用，具体实例化的过程为：1.父类变量初始化 2.父类语句块 3.父类构造函数 4.子类变量初始化 5.子类语句块 6.子类构造函数
经过以上的步骤后，java编译器会在遇见了new的地方同时生成这new指令和invokespecial指令，但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此。到此就执行了new指令。
执行了new指令，一般会接着执行()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。
到此就执行完了对象的实例化了。

4、对象的内存布局

在Hotspot里面，对象分为三部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

（1）对象头

一般包括两部分信息

第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈
希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特，官方称它为“Mark Word”
对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

（2）实例数据部分

就是我们类中的全部信息了，比如你定义的Integer age，String name，还有什么从子类中定义的字段，父类继承来的字段等信息。
HotSpot虚拟机默认的分配顺序为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary
Object Pointers，OOPs）