Java8常量为什么放在堆内存,大厂面试必考-JVM 内存管理 Java8
大厂面试必考-JVM 内存管理 Java8
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文章目录大厂面试必考-JVM 内存管理 Java8前言
1.为什么要进行内存区域划分？
2.JVM 内存布局
3.虚拟机栈
4.程序计数器
5.堆
6.元空间
7.其他面试题7.1 常量池去哪里了？
7.2 堆、非堆、本地内存，有什么关系？
8.总结8.1 JVM 如何进行内存区域的划分？
8.2 JVM 如何高效进行内存管理？
8.3 Java8 为什么增加了元空间，它又涉及什么问题？
9.参考
前言
本章我们将讨论 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三个问题：
JVM 如何进行内存区域的划分？
JVM 如何高效进行内存管理？
Java8 为什么增加了元空间，它又涉及什么问题？
1.为什么要进行内存区域划分？
先来讨论为什么要进行内存区域划分？因为 Java 和其他语言相比(比如 C++)，最引以为豪的特性就是自动内存管理机制。然而这种自动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。我们常说的内存回收，就是针对这个池子的操作。我们这个池子叫作堆。
简而言之，基于两点原因要进行内存区域划分
JVM 的自动内存管理机制。
内存区域划分可以更加高效的管理内存申请释放操作。
接下来我们继续看 内存区域 究竟如何划分？
2.JVM 内存布局
程序想要运行，就需要数据。有了数据，就需要在内存上存储。Java 程序的数据结构是非常丰富的。其中的内容，举一些例子：
静态成员变量
动态成员变量
区域变量
短小紧凑的对象声明
庞大复杂的内存申请
这么多不同的数据结构，到底是在什么地方存储的，他们之前又是如何进行交互的？
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。
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JVM 内存区域划分如图所示，从图中我们可以看出：
JVM 堆中的数据是共享的，占用内存最大的一块区域。
可以执行字节码的模块叫做执行引擎。
执行引擎在线程切换时怎么恢复？依靠的就是程序计数器。
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。
本地内存包含元数据区和一些直接内存。
3.虚拟机栈
栈的数据结构可以参考博主之前的文章 《数据结构与算法|第五章：栈》，文章中的第四小节也会简单介绍虚拟机栈和操作数栈的数据结构。
Java 虚拟机栈是基于线程的，哪怕只有一个 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。
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：
局部变量表
操作数栈
动态连接
返回地址
我们的应用程序，就是在不断操作这些内存空间中完成的。
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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。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。
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。
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其实这里的数据结构可以看成一个“栈中栈”，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
所有的字节码指令，其实都会抽象成入栈/出栈的操作。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。
4.程序计数器
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？
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。
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？
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。
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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。
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。
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5.堆
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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。
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。
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)。
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。
Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。
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。
对于基本数据类型来说(byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。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。
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。
以上就是 JVM 的基本的内存分配策略。
6.元空间
关于元空间，我们还是以一个非常高频的面试题开始：“Java 8 为什么增加了元空间，它有什么问题？”
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。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？
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。
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。
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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。
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。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。
7.其他面试题
7.1 常量池去哪里了？
JVM中存在多个常量池
字符串常量池，已经移动到堆上(jdk8之前是perm区)，也就是执行 intern 方法后存的地方。
类文件常量池，constant_pool，是每个类每个接口所拥有的，字节码中“#n”的那些都是。这部分数据在方法区，也就是元数据区。
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运行时常量池是在类加载后的一个内存区域，它们都在元空间。
7.2 堆、非堆、本地内存，有什么关系？
他们之前的内存划分如图：
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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。
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。
举个例子(Java 8)：
假设操作系统有8G。-Xmx分配了4G(堆内内存)，Metaspace使用了256M(堆外内存)，剩下的 8G-4G-256M ，就是操作系统剩下的本地内存。
具体本地内存如何变成堆外内存，要看情况。 比如：
netty 的 direct buffer 使用了额外的 120MB 内存，那么现在 JVM 占用的堆外内存就有 256M+120M
使用了 jni 或者 jna，直接申请了内存 2GB，那么现在 JVM 占用的堆外内存就有 256M+120M+2GB
网络 socket 连接等，占用了操作系统的 50MB 内存 这个时候，留给操作系统的就只剩下了：8GB-4GB-256M-120M-2GB-50M。
具体“堆和堆外”一共用了多少，可以top命令，看RSS段。·
8.总结
我们来总结下开篇的三个问题
8.1 JVM 如何进行内存区域的划分？
这个问题可以从两个角度来回答
第一 JVM 规范角度
JVM 规范《The Java Virtual Machine Specification, Java SE 8 Edition》2.5 Run-Time Data Areas
中描述的运行时数据区分为 6 个区域
程序计数器(The pc Register)
虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)
堆(Heap)
方法区(Method Area)
运行时常量池(Run-Time Constant Pool)
本地方法栈(Native Method Stacks)
第二具体虚拟机实现角度
Java 8 内存区域划分大致分为 6 个区域：
线程私有的三个区域，分别是虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器
本地内存(或者说非堆)包含元数据区和直接内存
元数据区包含方法区和运行时常量池
最后是堆(Heap)区，它是 JVM 上最大的内存区域
8.2 JVM 如何高效进行内存管理？
内存区域的合理划分
垃圾回收
8.3 Java8 为什么增加了元空间，它又涉及什么问题？
增加元空间的好处是。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。
但是同时带来的坏处是，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。
9.参考
《深入浅出 Java 虚拟机》- 李国
【Java8常量为什么放在堆内存,大厂面试必考-JVM 内存管理 Java8】大厂面试必考-JVM 内存管理 Java8相关教程
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