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<title>02 大厂面试题:你不得不掌握的 JVM 内存管理.md.html</title>
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<span>技术文章摘抄</span>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/00 开篇词:JVM,一块难啃的骨头.md.html">00 开篇词:JVM,一块难啃的骨头.md.html</a>
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<li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/01 一探究竟:为什么需要 JVM?它处在什么位置?.md.html">01 一探究竟:为什么需要 JVM?它处在什么位置?.md.html</a>
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<li>
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<a class="current-tab" href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/02 大厂面试题:你不得不掌握的 JVM 内存管理.md.html">02 大厂面试题:你不得不掌握的 JVM 内存管理.md.html</a>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/03 大厂面试题:从覆盖 JDK 的类开始掌握类的加载机制.md.html">03 大厂面试题:从覆盖 JDK 的类开始掌握类的加载机制.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/04 动手实践:从栈帧看字节码是如何在 JVM 中进行流转的.md.html">04 动手实践:从栈帧看字节码是如何在 JVM 中进行流转的.md.html</a>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/05 大厂面试题:得心应手应对 OOM 的疑难杂症.md.html">05 大厂面试题:得心应手应对 OOM 的疑难杂症.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/06 深入剖析:垃圾回收你真的了解吗?(上).md.html">06 深入剖析:垃圾回收你真的了解吗?(上).md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/07 深入剖析:垃圾回收你真的了解吗?(下).md.html">07 深入剖析:垃圾回收你真的了解吗?(下).md.html</a>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/08 大厂面试题:有了 G1 还需要其他垃圾回收器吗?.md.html">08 大厂面试题:有了 G1 还需要其他垃圾回收器吗?.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/09 案例实战:亿级流量高并发下如何进行估算和调优.md.html">09 案例实战:亿级流量高并发下如何进行估算和调优.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/10 第09讲:案例实战:面对突如其来的 GC 问题如何下手解决.md.html">10 第09讲:案例实战:面对突如其来的 GC 问题如何下手解决.md.html</a>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/11 第10讲:动手实践:自己模拟 JVM 内存溢出场景.md.html">11 第10讲:动手实践:自己模拟 JVM 内存溢出场景.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/12 第11讲:动手实践:遇到问题不要慌,轻松搞定内存泄漏.md.html">12 第11讲:动手实践:遇到问题不要慌,轻松搞定内存泄漏.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/13 工具进阶:如何利用 MAT 找到问题发生的根本原因.md.html">13 工具进阶:如何利用 MAT 找到问题发生的根本原因.md.html</a>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/14 动手实践:让面试官刮目相看的堆外内存排查.md.html">14 动手实践:让面试官刮目相看的堆外内存排查.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/15 预警与解决:深入浅出 GC 监控与调优.md.html">15 预警与解决:深入浅出 GC 监控与调优.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/16 案例分析:一个高死亡率的报表系统的优化之路.md.html">16 案例分析:一个高死亡率的报表系统的优化之路.md.html</a>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/17 案例分析:分库分表后,我的应用崩溃了.md.html">17 案例分析:分库分表后,我的应用崩溃了.md.html</a>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/18 动手实践:从字节码看方法调用的底层实现.md.html">18 动手实践:从字节码看方法调用的底层实现.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/19 大厂面试题:不要搞混 JMM 与 JVM.md.html">19 大厂面试题:不要搞混 JMM 与 JVM.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/20 动手实践:从字节码看并发编程的底层实现.md.html">20 动手实践:从字节码看并发编程的底层实现.md.html</a>
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</li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/21 动手实践:不为人熟知的字节码指令.md.html">21 动手实践:不为人熟知的字节码指令.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/22 深入剖析:如何使用 Java Agent 技术对字节码进行修改.md.html">22 深入剖析:如何使用 Java Agent 技术对字节码进行修改.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/23 动手实践:JIT 参数配置如何影响程序运行?.md.html">23 动手实践:JIT 参数配置如何影响程序运行?.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/24 案例分析:大型项目如何进行性能瓶颈调优?.md.html">24 案例分析:大型项目如何进行性能瓶颈调优?.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/25 未来:JVM 的历史与展望.md.html">25 未来:JVM 的历史与展望.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/26 福利:常见 JVM 面试题补充.md.html">26 福利:常见 JVM 面试题补充.md.html</a>
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</li>
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</ul>
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<div class="book-post">
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<p id="tip" align="center"></p>
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<div><h1>02 大厂面试题:你不得不掌握的 JVM 内存管理</h1>
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<p>本课时我们主要讲解 JVM 的内存划分以及栈上的执行过程。这块内容在面试中主要涉及以下这 3 个面试题:</p>
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<ul>
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<li>JVM 是如何进行内存区域划分的?</li>
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<li>JVM 如何高效进行内存管理?</li>
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<li>为什么需要有元空间,它又涉及什么问题?</li>
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</ul>
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<p>带着这 3 个问题,我们开始今天的学习,关于内存划分的知识我希望在本课时你能够理解就可以,不需要死记硬背,因为在后面的课时我们会经常使用到本课时学习的内容,也会结合工作中的场景具体问题具体分析,这样你可以对 JVM 的内存获得更深刻的认识。
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首先,第一个问题:**JVM的内存区域是怎么高效划分的?**这也是一个高频的面试题。很多同学可能通过死记硬背的方式来应对这个问题,这样不仅对知识没有融会贯通在面试中还很容易忘记答案。
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为什么要问到 JVM 的内存区域划分呢?因为 Java 引以为豪的就是它的自动内存管理机制。相比于 C++的手动内存管理、复杂难以理解的指针等,Java 程序写起来就方便的多。
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然而这种呼之即来挥之即去的内存申请和释放方式,自然也有它的代价。为了管理这些快速的内存申请释放操作,就必须引入一个池子来延迟这些内存区域的回收操作。
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我们常说的内存回收,就是针对这个池子的操作。我们把上面说的这个池子,叫作堆,可以暂时把它看成一个整体。</p>
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<h2></h2>
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<h3><strong>JVM 内存布局</strong></h3>
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<p>程序想要运行,就需要数据。有了数据,就需要在内存上存储。那你可以回想一下,我们的 C++ 程序是怎么运行的?是不是也是这样?
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Java 程序的数据结构是非常丰富的。其中的内容,举一些例子:</p>
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<ul>
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<li>静态成员变量</li>
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<li>动态成员变量</li>
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<li>区域变量</li>
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<li>短小紧凑的对象声明</li>
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<li>庞大复杂的内存申请</li>
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</ul>
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<p>这么多不同的数据结构,到底是在什么地方存储的,它们之间又是怎么进行交互的呢?是不是经常在面试的时候被问到这些问题?
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我们先看一下 JVM 的内存布局。随着 Java 的发展,内存布局一直在调整之中。比如,Java 8 及之后的版本,彻底移除了持久代,而使用 Metaspace 来进行替代。这也表示着 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 等参数调优,已经没有了意义。但大体上,比较重要的内存区域是固定的。</p>
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<p><img src="assets/Cgq2xl4VrjWAPqAuAARqnz6cigo666.png" alt="img" /></p>
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<p>JVM 内存区域划分如图所示,从图中我们可以看出:</p>
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<ul>
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<li>JVM 堆中的数据是共享的,是占用内存最大的一块区域。</li>
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<li>可以执行字节码的模块叫作执行引擎。</li>
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<li>执行引擎在线程切换时怎么恢复?依靠的就是程序计数器。</li>
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<li>JVM 的内存划分与多线程是息息相关的。像我们程序中运行时用到的栈,以及本地方法栈,它们的维度都是线程。</li>
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<li>本地内存包含元数据区和一些直接内存。</li>
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</ul>
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<p>一般情况下,只要你能答出上面这些主要的区域,面试官都会满意的点头。但如果深挖下去,可能就有同学就比较头疼了。下面我们就详细看下这个过程。</p>
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<h2></h2>
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||
<h3><strong>虚拟机栈</strong></h3>
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<p><img src="assets/CgpOIF4VrjWAejcvABlLC2rtYrw357.gif" alt="img" /></p>
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<p>栈是什么样的数据结构?你可以想象一下子弹上膛的这个过程,后进的子弹最先射出,最上面的子弹就相当于栈顶。
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我们在上面提到,Java 虚拟机栈是基于线程的。哪怕你只有一个 main() 方法,也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中,参与计算的数据会频繁地入栈和出栈,栈的生命周期是和线程一样的。
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||
栈里的每条数据,就是栈帧。在每个 Java 方法被调用的时候,都会创建一个栈帧,并入栈。一旦完成相应的调用,则出栈。所有的栈帧都出栈后,线程也就结束了。每个栈帧,都包含四个区域:</p>
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<ul>
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<li>局部变量表</li>
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<li>操作数栈</li>
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<li>动态连接</li>
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<li>返回地址</li>
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</ul>
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<p>我们的应用程序,就是在不断操作这些内存空间中完成的。</p>
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<p><img src="assets/Cgq2xl4VrjWABK2qAATDn4DQbvE629.png" alt="img" /></p>
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<p>本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域,它服务的对象是 native 方法。你甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域,这并不影响我们对 JVM 的了解。
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这里有一个比较特殊的数据类型叫作 returnAdress。因为这种类型只存在于字节码层面,所以我们平常打交道的比较少。对于 JVM 来说,程序就是存储在方法区的字节码指令,而 returnAddress 类型的值就是指向特定指令内存地址的指针。</p>
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<p><img src="assets/CgpOIF4VrjWAZvMCAAB9Uu8GKww546.png" alt="img" /><br />
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这部分有两个比较有意思的内容,面试中说出来会让面试官眼前一亮。</p>
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<ul>
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<li>这里有一个两层的栈。第一层是栈帧,对应着方法;第二层是方法的执行,对应着操作数。注意千万不要搞混了。</li>
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<li>你可以看到,所有的字节码指令,其实都会抽象成对栈的入栈出栈操作。执行引擎只需要傻瓜式的按顺序执行,就可以保证它的正确性。</li>
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</ul>
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<p>这一点很神奇,也是基础。我们接下来从线程角度看一下里面的内容。</p>
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<h2></h2>
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<h3><strong>程序计数器</strong></h3>
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<p>那么你设想一下,如果我们的程序在线程之间进行切换,凭什么能够知道这个线程已经执行到什么地方呢?
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既然是线程,就代表它在获取 CPU 时间片上,是不可预知的,需要有一个地方,对线程正在运行的点位进行缓冲记录,以便在获取 CPU 时间片时能够快速恢复。
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就好比你停下手中的工作,倒了杯茶,然后如何继续之前的工作?
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程序计数器是一块较小的内存空间,它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。这里面存的,就是当前线程执行的进度。下面这张图,能够加深大家对这个过程的理解。</p>
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<p><img src="assets/Cgq2xl4VrjaANruFAAQKxZvgfSs652.png" alt="img" /></p>
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<p>可以看到,程序计数器也是因为线程而产生的,与虚拟机栈配合完成计算操作。程序计数器还存储了当前正在运行的流程,包括正在执行的指令、跳转、分支、循环、异常处理等。
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我们可以看一下程序计数器里面的具体内容。下面这张图,就是使用 javap 命令输出的字节码。大家可以看到在每个 opcode 前面,都有一个序号。就是图中红框中的偏移地址,你可以认为它们是程序计数器的内容。</p>
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<p><img src="assets/CgpOIF4VrjaAQSVlAAB8U3OQQR8670.jpg" alt="img" /></p>
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<h2></h2>
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||
<h3><strong>堆</strong></h3>
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<p><img src="assets/Cgq2xl4VrjaAXnuQAANJIXDvNhI844.png" alt="img" /></p>
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<p>堆是 JVM 上最大的内存区域,我们申请的几乎所有的对象,都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收,操作的对象就是堆。
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堆空间一般是程序启动时,就申请了,但是并不一定会全部使用。
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随着对象的频繁创建,堆空间占用的越来越多,就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中,就叫作 GC(Garbage Collection)。
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由于对象的大小不一,在长时间运行后,堆空间会被许多细小的碎片占满,造成空间浪费。所以,仅仅销毁对象是不够的,还需要堆空间整理。这个过程非常的复杂,我们会在后面有专门的课时进行介绍。
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那一个对象创建的时候,到底是在堆上分配,还是在栈上分配呢?这和两个方面有关:对象的类型和在 Java 类中存在的位置。
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Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。
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对于普通对象来说,JVM 会首先在堆上创建对象,然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如,把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。
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对于基本数据类型来说(byte、short、int、long、float、double、char),有两种情况。
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我们上面提到,每个线程拥有一个虚拟机栈。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象,它就会在栈上直接分配。其他情况,都是在堆上分配。
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注意,像 int[] 数组这样的内容,是在堆上分配的。数组并不是基本数据类型。</p>
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<p>这就是 JVM 的基本的内存分配策略。而堆是所有线程共享的,如果是多个线程访问,会涉及数据同步问题。这同样是个大话题,我们在这里先留下一个悬念。</p>
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<h3><strong>元空间</strong></h3>
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<p>关于元空间,我们还是以一个非常高频的面试题开始:“为什么有 Metaspace 区域?它有什么问题?”
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说到这里,你应该回想一下类与对象的区别。对象是一个活生生的个体,可以参与到程序的运行中;类更像是一个模版,定义了一系列属性和操作。那么你可以设想一下。我们前面生成的 A.class,是放在 JVM 的哪个区域的?
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想要问答这个问题,就不得不提下 Java 的历史。在 Java 8 之前,这些类的信息是放在一个叫 Perm 区的内存里面的。更早版本,甚至 String.intern 相关的运行时常量池也放在这里。这个区域有大小限制,很容易造成 JVM 内存溢出,从而造成 JVM 崩溃。
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Perm 区在 Java 8 中已经被彻底废除,取而代之的是 Metaspace。原来的 Perm 区是在堆上的,现在的元空间是在非堆上的,这是背景。关于它们的对比,可以看下这张图。</p>
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<p><img src="assets/Cgq2xl4VrjaAIlgaAAJKReuKXII670.png" alt="img" /></p>
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<p>然后,元空间的好处也是它的坏处。使用非堆可以使用操作系统的内存,JVM 不会再出现方法区的内存溢出;但是,无限制的使用会造成操作系统的死亡。所以,一般也会使用参数 -XX:MaxMetaspaceSize 来控制大小。
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方法区,作为一个概念,依然存在。它的物理存储的容器,就是 Metaspace。我们将在后面的课时中,再次遇到它。现在,你只需要了解到,这个区域存储的内容,包括:类的信息、常量池、方法数据、方法代码就可以了。</p>
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<h3><strong>小结</strong></h3>
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<p>好了,到这里本课时的基本内容就讲完了,针对这块的内容在面试中还经常会遇到下面这两个问题。</p>
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<ul>
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<li>我们常说的字符串常量,存放在哪呢?</li>
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</ul>
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<p>由于常量池,在 Java 7 之后,放到了堆中,我们创建的字符串,将会在堆上分配。</p>
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<ul>
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<li>堆、非堆、本地内存,有什么关系?</li>
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</ul>
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<p>关于它们的关系,我们可以看一张图。在我的感觉里,堆是软绵绵的,松散而有弹性;而非堆是冰冷生硬的,内存非常紧凑。</p>
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<p><img src="assets/CgpOIF4VrjaAOSx2AAJgrvself8711.png" alt="img" /></p>
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<p>大家都知道,JVM 在运行时,会从操作系统申请大块的堆内内存,进行数据的存储。但是,堆外内存也就是申请后操作系统剩余的内存,也会有部分受到 JVM 的控制。比较典型的就是一些 native 关键词修饰的方法,以及对内存的申请和处理。
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在 Linux 机器上,使用 top 或者 ps 命令,在大多数情况下,能够看到 RSS 段(实际的内存占用),是大于给 JVM 分配的堆内存的。
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如果你申请了一台系统内存为 2GB 的主机,可能 JVM 能用的就只有 1GB,这便是一个限制。</p>
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<h3>总结</h3>
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<p>JVM 的运行时区域是栈,而存储区域是堆。很多变量,其实在编译期就已经固定了。.class 文件的字节码,由于助记符的作用,理解起来并不是那么吃力,我们将在课程最后几个课时,从字节码层面看一下多线程的特性。
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JVM 的运行时特性,以及字节码,是比较偏底层的知识。本课时属于初步介绍,有些部分并未深入讲解。希望你应该能够在脑海里建立一个 Java 程序怎么运行的概念,以便我们在后面的课时中,提到相应的内存区域时,有个整体的印象。</p>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/01 一探究竟:为什么需要 JVM?它处在什么位置?.md.html">上一页</a>
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<a href="/专栏/深入浅出 Java 虚拟机-完/03 大厂面试题:从覆盖 JDK 的类开始掌握类的加载机制.md.html">下一页</a>
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<!-- Global site tag (gtag.js) - Google Analytics -->
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window.dataLayer = window.dataLayer || [];
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function gtag() {
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dataLayer.push(arguments);
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}
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gtag('js', new Date());
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gtag('config', 'G-NPSEEVD756');
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var path = window.location.pathname
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var cookie = getCookie("lastPath");
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console.log(path)
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if (path.replace("/", "") === "") {
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if (cookie.replace("/", "") !== "") {
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console.log(cookie)
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document.getElementById("tip").innerHTML = "<a href='" + cookie + "'>跳转到上次进度</a>"
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}
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} else {
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setCookie("lastPath", path)
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}
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function setCookie(cname, cvalue) {
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var d = new Date();
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d.setTime(d.getTime() + (180 * 24 * 60 * 60 * 1000));
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var expires = "expires=" + d.toGMTString();
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document.cookie = cname + "=" + cvalue + "; " + expires + ";path = /";
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}
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function getCookie(cname) {
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var name = cname + "=";
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var ca = document.cookie.split(';');
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for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
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var c = ca[i].trim();
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if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
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}
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return "";
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}
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</html>
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