掌握JVM内存模型，不再是面试绊脚石

线程栈：线程栈，即对应的官方的Java Virtual Machine Stacks（虚拟机栈），是每个线程独有的内存区域，用于存储方法调用的局部变量、操作数栈等。 每个线程在执行方法时，都会在线程栈上创建栈帧（Stack Frame），栈帧用于记录方法的执行状态和局部变量的值。

例如，在我们的代码示例中，当运行main方法时，会创建一个主线程，JVM为其分配独立的线程栈，用于存储方法执行所需的局部变量，如main方法中的math变量，以及compute方法中的a、b、c变量。这些局部变量需要内存空间存放，而这些存储单元位于线程栈上。

每个线程都拥有自己的线程栈，当新线程加入时，JVM会分配独立的线程栈空间。这种独立分配确保每个线程都有自己的内存区域，专门用于存放线程内部的局部变量。

实际上，线程栈内部结构比较复杂，其中比较关键的一个组成是栈帧。栈帧是方法执行时的一块专属内存区域。对于我们的示例，当main方法开始执行时，JVM会为其分配线程栈空间，并在栈上分配一个栈帧，用于保存main方法的局部变量，例如math。当compute方法被调用时，同样，JVM会为其分配独立的栈帧内存区域，用于存放compute方法的局部变量a、b、c。事实上，每个方法都有其专用的栈帧，用于隔离方法的内存空间。

在方法嵌套调用时，会不断创建新的栈帧内存空间。这是因为不同局部变量的作用范围仅限于其所属方法，通过栈帧的方式，实现了方法之间内存的隔离。

这里的栈与数据结构中的栈有什么不一样吗？数据结构中的栈的特点是先进后出（FILO）结构，其实这里线程栈中的栈的结构就是数据结构中的栈。这是因为，例如在代码示例中，main方法先被调用，所以首先为其分配内存空间，接着调用compute方法，再为其分配内存空间。然而，由于方法执行顺序的关系，后调用的方法往往会先执行完，因此其对应的栈帧内存空间会被释放（出栈）。

栈帧内部主要组成：

• 局部变量表：存放局部变量，如compute方法内a、b、c，其内部结构类似数组。

• 操纵数栈：用于执行方法时临时存放操作数和中间结果的内存区域。
  要理解操纵数栈，需要结合字节码文件来进行理解。我们示例代码的字节码文件部分截图如下：

  

  这个字节码文件，不具备可读性。我们通过javap命令 javap -c Math.class 反汇编生成更可读的JVM汇编指令码（都是表示Math类，只是表现形式不一样；这里的汇编是JVM内部的汇编，不是汇编编程语言的汇编）：

  Compiled from "Math.java"
  public class com.jvm.test.Math {
    public com.jvm.test.Math();
      Code:
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
  
    public int compute();
      Code:
         0: iconst_1
         1: istore_1
         2: iconst_2
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: bipush        10
         9: imul
        10: istore_3
        11: iload_3
        12: ireturn
  
    public static void main(java.lang.String[]);
      Code:
         0: new           #2                  // class com/jvm/test/Math
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method "":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: invokevirtual #4                  // Method compute:()I
        12: istore_2
        13: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        16: new           #6                  // class java/lang/StringBuilder
        19: dup
        20: invokespecial #7                  // Method java/lang/StringBuilder."":()V
        23: ldc           #8                  // String 执行结果：
        25: invokevirtual #9                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        28: iload_2
        29: invokevirtual #10                 // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
        32: invokevirtual #11                 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
        35: invokevirtual #12                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        38: return
  }
  
  

  这里拿一个方法来分析，在分析前，需要借助一份JVM指令手册（在前面提供的JVM规范官方文档链接中就可以找到 JVM官方文档，比较多，这里仅贴出我们分析时将要涉及的部分。

  JVM指令手册（部分）：

  栈和局部变量操作
  
  将常量压入栈的指令
  aconst_null 将null对象引用压入栈
  iconst_m1 将int类型常量-1压入栈
  iconst_0 将int类型常量0压入栈
  iconst_1 将int类型常量1压入操作数栈
  iconst_2 将int类型常量2压入栈
  iconst_3 将int类型常量3压入栈
  iconst_4 将int类型常量4压入栈
  iconst_5 将int类型常量5压入栈
  lconst_0 将long类型常量0压入栈
  lconst_1 将long类型常量1压入栈
  fconst_0 将float类型常量0压入栈
  fconst_1 将float类型常量1压入栈
  dconst_0 将double类型常量0压入栈
  dconst_1 将double类型常量1压入栈
  bipush 将一个8位带符号整数压入栈
  sipush 将16位带符号整数压入栈
  ldc 把常量池中的项压入栈
  ldc_w 把常量池中的项压入栈（使用宽索引）
  ldc2_w 把常量池中long类型或者double类型的项压入栈（使用宽索引）
  
  从栈中的局部变量中装载值的指令
  iload 从局部变量中装载int类型值
  lload 从局部变量中装载long类型值
  fload 从局部变量中装载float类型值
  dload 从局部变量中装载double类型值
  aload 从局部变量中装载引用类型值（refernce）
  iload_0 从局部变量0中装载int类型值
  iload_1 从局部变量1中装载int类型值
  iload_2 从局部变量2中装载int类型值
  iload_3 从局部变量3中装载int类型值
  lload_0 从局部变量0中装载long类型值
  lload_1 从局部变量1中装载long类型值
  lload_2 从局部变量2中装载long类型值
  lload_3 从局部变量3中装载long类型值
  fload_0 从局部变量0中装载float类型值
  fload_1 从局部变量1中装载float类型值
  aload 从数组中装载int类型值
  laload 从数组中装载long类型值
  faload 从数组中装载float类型值
  daload 从数组中装载double类型值
  aaload 从数组中装载引用类型值
  baload 从数组中装载byte类型或boolean类型值
  caload 从数组中装载char类型值
  saload 从数组中装载short类型值
  
  将栈中的值存入局部变量的指令
  istore 将int类型值存入局部变量
  lstore 将long类型值存入局部变量
  fstore 将float类型值存入局部变量
  dstore 将double类型值存入局部变量
  astore 将将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量
  istore_0 将int类型值存入局部变量0
  istore_1 将int类型值存入局部变量1
  istore_2 将int类型值存入局部变量2
  istore_3 将int类型值存入局部变量3
  lstore_0 将long类型值存入局部变量0
  lstore_1 将long类型值存入局部变量1
  lstore_2 将long类型值存入局部变量2
  lstore_3 将long类型值存入局部变量3
  fstore_0 将float类型值存入局部变量0
  fstore_1 将float类型值存入局部变量1
  fstore_2 将float类型值存入局部变量2
  fstore_3 将float类型值存入局部变量3
  dstore_0 将double类型值存入局部变量0
  dstore_1 将double类型值存入局部变量1
  
  整数运算
  iadd 执行int类型的加法
  ladd 执行long类型的加法
  isub 执行int类型的减法
  lsub 执行long类型的减法
  imul 执行int类型的乘法
  lmul 执行long类型的乘法
  idiv 执行int类型的除法
  ldiv 执行long类型的除法
  irem 计算int类型除法的余数
  lrem 计算long类型除法的余数
  ineg 对一个int类型值进行取反操作
  lneg 对一个long类型值进行取反操作
  iinc 把一个常量值加到一个int类型的局部变量上
  

  代码分析：
  以compute方法为例，其jvm汇编指令码如下：

     public int compute();
        Code:
           0: iconst_1
           1: istore_1
           2: iconst_2
           3: istore_2
           4: iload_1
           5: iload_2
           6: iadd
           7: bipush        10
           9: imul
          10: istore_3
          11: iload_3
          12: ireturn
  

  代码汇编指令	指令含义	手册含义
  0: iconst_1	把常量1压到操作数栈中	iconst_1 将int类型常量1压入操作数栈
  1: istore_1	这里的“局部变量1”，实际就是变量a。查看jvm指令手册，可以发现有局部变量0、局部变量1、局部变量2等，这里的1、2、3，实际上是局部变量表的索引或数组下标。 局部变量0，是this，即调用这个方法的对象，默认会内置这样一个对象；局部变量1，就是我们代码中的变量a，依此类推。 由此，istore_1意思就是，从操作数栈中，把1拿出来，放到局部变量表中赋给局部变量a，也就是变成a=1。(操作数栈的内部，也是栈结构)	istore_1 将int类型值存入局部变量1
  2: iconst_2	同「0: iconst_1」，就是把常量2压到操作数栈中。	iconst_2 将int类型常量2压入操作数栈
  3: istore_2	同「1: istore_1」，从操作数栈中，把2拿出来，放到局部变量表中赋给局部变量b。	istore_2 将int类型值存入局部变量2
  4: iload_1	把局部变量a的值，也就是1，装载出来，放到操作数栈。	iload_1 从局部变量1中装载int类型值
  5: iload_2	同「iload_1」，把局部变量b的值，也就是2，装载出来，放到操作数栈。	iload_2 从局部变量2中装载int类型值
  6: iadd	这里要做的是 a+b的加法运行操作，是要从操作数栈中把值1、2拿出来（弹到CPU内部寄存器），然后做操作（在CPU中运算），即1+2=3，然后再把3压入操作数栈中。	iadd 执行int类型的加法
  7: bipush 10	把数值10压入操作数栈	bipush 将一个8位带符号整数压入栈
  9: imul	就是做乘法运算，即3*10=30，然后再把30压入操作数栈中。	mul 执行int类型的乘法
  10: istore_3	从操作数栈中，把30拿出来，放到局部变量表中给局部变量c赋值 。	将int类型值存入局部变量3
  11: iload_3	把局部变量c的值，也就是30，装载出来，放到操作数栈。	从局部变量3中装载int类型值
  12: ireturn	返回方法结果值30	从方法中返回int类型的数据

• 动态链接：在程序运行时将符号引用（如方法、变量等）解析为实际内存地址的过程。比如说，在调用方法compute时，JVM会将代表compute方法的符号引用解析为实际的内存地址，从而找到要执行的compute方法的位置。

• 方法出口: 指一个方法执行完成后，程序应该继续执行的下一条指令或位置。
  比如compute执行完了，要回到main方法的哪个位置？这些相关的信息，就是放到方法出口。

元空间JVM参数
关于元空间的JVM参数有两个：-XX:MetaspaceSize=N和 -XX:MaxMetaspaceSize=N

• -XX：MaxMetaspaceSize： 设置元空间最大值， 默认是-1， 即不限制， 或者说只受限于本地内存大小。
• -XX：MetaspaceSize： 指定元空间触发Fullgc的初始阈值(元空间无固定初始大小)， 以字节为单位，默认是21M，达到该值就会触发full gc进行类型卸载。 同时收集器会对该值进行调整： 如果释放了大量的空间， 就适当降低该值； 如果释放了很少的空间， 那么在不超过-XX：MaxMetaspaceSize（如果设置了的话） 的情况下， 适当提高该值。这个跟早期j期jdk版本的-XX:PermSize参数意思不一样，-XX:PermSize代表永久代的初始容量。由于调整元空间的大小需要Full GC，这是非常昂贵的操作，如果应用在启动的时候发生大量Full GC，通常都是由于永久代或元空间发生了大小调整，基于这种情况，一般建议在JVM参数中将MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize设置成一样的值，并设置得比初始值要大，对于8G物理内存的机器来说，一般建议可将这两个值都设置为256M。

线程栈JVM参数
StackOverflowError代码示例：

package com.jvm.test;

public class StackOverflowTest {

    static int count = 0;
    static void redo() {
        count++;
        redo();
    }
    public static void main(String[] args) {
        try {
            redo();
        }catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println(count);
        }

    }
}

1、不对线程栈设置额外jvm参数(默认值取决于平台，64位的linux或mac默认最大1M)
运行结果：

 java.lang.StackOverflowError
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
...
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
21642

2、设置：-Xss256k
运行结果：

 java.lang.StackOverflowError
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
...
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
at com.jvm.test.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:8)
2077

结论：
-Xss设置越小count值越小，说明一个线程栈里能分配的栈帧就越少，但是对JVM整体来说能开启的线程数会更多

3、关于堆的jvm参数设置，比较复杂，后续将单独学习和更新。

• JVM体系结构: JVM主要由三个部分组成：类装载子系统、字节码执行引擎、运行时数据区（内存模型）。

• 运行时数据区（内存模型）：包括线程栈、本地方法栈、程序计数器、堆和方法区。

  • 线程栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有区域
  • 堆和方法区是线程共享区域

• 具体区域的功能：

  • 线程栈：存储方法调用的局部变量、操作数栈和返回信息。每个方法调用都会创建一个栈帧，栈帧包括局部变量表、操作数栈等。
  • 程序计数器：存放当前执行指令的地址，类似于代码行号。
  • 本地方法栈：执行本地方法的内存区域，针对native方法调用。
  • 方法区（元空间） ：存储类信息、静态变量、常量池等。
  • 堆：存放对象实例，如代码示例中的math对象实例。