JVM知识体系学习五：Java Runtime Data Area and JVM Instruction （java运行时数据区域和java指令（大约200多条，这里就将一些简单的指令和学习））

前言

1. 前边的 JVM知识体系学习 1-4讲的是 class loader （类加载）、类对象等知识。那这里讲的就是 类加载之后运行时 的数据区域，也就是 java 运行时数据区（java runtime data area）,如下图所示：
   
2. JVM 文档 是 JDK 13版本
3. 本博客记录了JVM运行时区域的内容
   • 线程私有：JVM栈、本地方法栈、PC（程序计数器）
   • 线程公有：Java 堆（在第六节里详细讲解）、方法区（7之前永久代实现，7之后元空间实现）
4. 还记录了 栈中指令涉及局部变量表、操作数栈的实现过程。举了多个例子。

零、问题引入

很简单的小程序，为什么执行第六行代码是8，执行第7行代码是9呢。引入问题，后面解答。

看了答案之后的思维发散：说明 i++ 还是 ++i，都不是原子操作，在字节码层面是由三个指令的，（题外话，也就是JVM知识体系三中的会可能发生指令重排的情况。）。

package com.mashibing.jvm.c4_RuntimeDataAreaAndInstructionSet;

public class TestIPulsPlus {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 8;
        i = i++;
//        i = ++i;
        System.out.println(i);
    }
}

一、java Runtime Data Area

0、概述

1. 数据运行时内存包含如下
   DM 是JDK1.4之后出现的，为NIO部分。
   
2. 对应的文档在哪呢
   • https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html
     
   • 上面是java language，下面是 JVM ，点击PDF即可。
   • 位置如下：
     

1、Program Counter 程序计数器（线程私有）

存放指令位置
虚拟机的运行，类似于这样的循环：
while( not end ) {
取PC中的位置，找到对应位置的指令；
执行该指令；
PC ++;
}

• JVM是这样说的：
  1. Each Java Virtual Machine thread has its own pc (program counter) register.
  2. At any point, each Java Virtual Machine thread is executing the code of a single method, namely the current method for that thread.
  3. If that method is not native , the pc register contains the address of the Java Virtual Machine instruction currently being executed.

2、JVM stacks（重点）（线程私有）

• JVM 是这样说的：

  1. Each Java Virtual Machine thread has a private Java Virtual
     Machine stack, created at the same time as the thread.
  2. A Java Virtual Machine stack stores frames
• 每一个线程对应一个栈，每个方法对应一个栈针。JVM 虚拟机 所管理的

3、Native Method Stacks本地方法栈（线程私有）

• JVM 是这样说的：

  1. An implementation of the Java Virtual Machine may use
     conventional stacks called native method stacks
• c 和 c++。java 调用了 JNC ，调用了 c 和 c++时就会调用 ，没法调试和调优

4、Direct Memory

JDK 1.4 版本之后 ，增加了一个新的 Direct Memory 即直接内存，NIO的内容。 所有的内存都归java 虚拟机（JVM）直接管理，为了增加IO的效率，在JDK1.4之后增加了 DM（直接内存），从java虚拟机内部 可以访问操作系统管理的内存的。用户空间可以访问内核空间的内存。

5、Method Area 方法区（重点）（线程公有）

a、MA

• JVM 是这样说的：

  1. The Java Virtual Machine has a method area that is shared among all Java Virtual Machine threads.
  2. It stores per-class structures

• 存储各种常量池，包含 :（JVM知识体系学习一中的常量池就是第一个 Class常量池）

  1. Class文件中的常量池（存放存放两大常量：字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)。
     (下面小节专门讲解常量池。很详细)
  2. 运行时常量池（run-time constant pool，运行之后Class文件中的常量池加载到内存即运行时常量池）
  3. 字符串常量池（1.7 和静态变量放到堆上）、
  4. 基本数据类型包装类常量池（6个）（Float 和Double 没有）、静态变量
     上面这 6 种整型的包装类也只是在对应值小于等于127时才可使用对象池，也即对象不负责创建和管理大于127的这些类的对象。

• JVM 版本的 方法区

  1. Perm Space 永久代 (<=JDK1.6版本)
     Class常量池、字符串常量池、运行时常量池、静态变量、基本数据类型包装类常量池 位于PermSpace
     不会触发FGC清理
     大小启动的时候指定，不能变
  2. Perm Space 永久代 (=JDK1.7版本，开始去永久代)
     字符串常量池、静态变量 转移到堆上，其他还在永久代
     不会触发FGC清理
  3. Meta Space 元空间 (>=JDK1.8版本)
     字符串常量池 位于堆
     会触发FGC清理
     不设定的话，最大就是物理内存

b、常量池

• 常量池的资料

  • java中的常量池的分类：https://cloud.tencent.com/developer/article/1450501#

  • JAVA常量池，一篇文章就足够入门了。（含图解）https://blog.csdn.net/qq_41376740/article/details/80338158

  • Java中几种常量池的区分

  • JVM常量池主要分为 Class文件常量池、运行时常量池，全局字符串常量池，以及基本类型包装类对象常量池（Double和Folat这两种浮点数类型的包装类没有实现常量池技术）。

  • 运行时常量池 中的常量是 运行之后 Class 文件中的常量池加载到MA中的。

c、JDK1.6、JDK1.7、JDK1.8 内存模型演变

• JDK1.6、JDK1.7、JDK1.8 内存模型演变：https://www.cnblogs.com/xiaofuge/p/14244755.html
  
• JDK 1.6：有永久代，静态变量存放在永久代上。
• JDK 1.7：有永久代，但已经把字符串常量池、静态变量，存放在堆上。开始去永久代。逐渐的减少永久代的使用。
• JDK 1.8：无永久代，运行时常量池、类常量池，都保存在元数据区，也就是常说的元空间。但字符串常量池仍然存放在堆上。

6、Run-Time Constant Pool（属于MA）

• JVM 是这样说的：
  1. A run-time constant pool is a per-class or per-interface run-time
     representation of the constant_pool table in a class file
• 运行时常量池 位于方法区中

7、Heap 堆（线程共有）

• JVM 是这样说的：
  1. The Java Virtual Machine has a heap that is shared among all Java Virtual Machine threads.
  2. The heap is the run-time data area from which memory for
     all class instances and arrays is allocated.

GC时好好聊：JVM知识体系学习六第三章: https://blog.csdn.net/qq_40036754/article/details/128651806

8、总体图

从下图看出：

• PC、JVM stacks、native method stack 是线程独有的
• heap、method area 是线程共享的
  

二、java stack 中的 栈针Frame

• A frame is used to store data and partial results, as well as to perform dynamic linking, return values for methods, and dispatch exceptions. （框架用于存储数据和部分结果，以及执行动态链接、方法的返回值和分派异常）
• 每一个线程是一个栈针，每个方法对应一个栈帧，比如main()方法应该第一个进入栈中，调用的方法依次入栈（作为栈针）。
  

1、栈针的四部分

• 每一个栈针包括 以下四部分：
  
  1. Local Variable Table：本地变量表
  2. Operand Stack：操作数栈
     • 对于long的处理（store and load），多数虚拟机的实现都是原子的
     • jls文档里 17.7，没必要加volatile
  3. Dynamic Linking：动态链接
     • 文档详解：https://blog.csdn.net/qq_41813060/article/details/88379473
     • jvms文档的 2.6.3
     • 就是class文件里的常量池 constant pool（常量池）里的符号链接，看有没有解析，如果没有解析就动态解析；如果解析了则直接使用，所以Dynamic Linking 就是这个东西。
     • 比如：有a()方法和b()方法，a()方法中调用了b()方法，那么执行a()方法中的b()方法时，则需要去常量池中去找b()方法，这个找的过程就是动态链接。 Dynamic Linking
  4. return address：返回地址。
     • a() 调用了 b()，方法a调用了方法b, b方法的返回值放在什么地方，这就是 return address。

2、Local Variable Table 局部变量表

a、问题引入的代码

package com.mashibing.jvm.c4_RuntimeDataAreaAndInstructionSet;

public class TestIPulsPlus {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 8;
        i = i++;
//        i = ++i;
        System.out.println(i);
    }
}

b、查看字节码中的本地变量表

如上图所示：

1. LineNumberTable：行号
2. LocalVariableTable：本地变量表，包括两个，一个是main()方法的形参 args，一个是 变量 i。
3. 右边绿色的 cp info #15：cp，是 constant pool 常量池（在MA中）；所以是常量池第15块地址存储的，可以点进去查看。
   

3、Operand Stack（解释i++和++i的问题）

a、解释指令集：i++

先看下图的指令

1. 指令一 bipush 8：（byte int push）就是 讲byte 转成 int 型 push 到栈中。即 将8 压入栈中。

   • 点击指令，可以直接进入到指令的解释网页
   • 下图
     

2. 指令二istore_1：通过下面指令解释可以看出，将操作栈中的数出栈，赋值到局部变量表（二.2）中 下标为2的变量中。即将8出栈赋值到i上。

   • 指令解释如下
     
     

3. 到了这儿，i=8 这条语句就执行完了，就是通过 1和 2这两条指令完成的。
   

4. 指令三 iload_1：取出局部变量表下标为1的值，然后入操作栈；即 i=1取出，入操作栈。

   • 解释如下
     

5. 指令四 iinc 1 by 1：局部变量表下标为1 的值 自加1。此时 局部变量表下标为1 的 i 值 变成了 9。

   • 解释
     

6. 指令五 istore_1：同指令2，将操作栈中的值出栈，然后赋值到局部变量表下标为1的变量 i 上。所以将8赋值到局部变量表 i=9上，则为8。

7. 此时，到这里，完美的解释了 i++ 的操作。i++ 的指令一共有三步，也就是第三、第四、第五个指令。

b、解释指令集：++i

执行的字节码如下图：唯一的不同，第三行和第四行交换了。 ++i 的指令也是第三、第四、第五个指令，共三个。

解释如下：

1. bipush 8：将8压栈
2. istore_1：8出栈，赋值到 局部变量表 下标为1 的 i 上，完成 i=8。
3. iinc 1 by 1：局部变量表下标为1 的i变量的值，自加1，完成 ++i，i = 9。
4. iload_1：局部变量表下标为1 的i 变量 的值 9 取出，入操作栈。
5. istore_1：操作栈 出栈，赋值 到 局部变量表 下标为1 的 i上，为9。

三、栈的执行流程

1、案例 1_sipush 指令

a、代码

b、字节码指令集

c、指令解说

和上面的案例相比，这里第一个指令是 sipush（原来是 bipush）， 原因是： 200>127，所以不再是 byte 类型，而是 short 类型 转成 int 类型。

2、案例 2_局部变量表中的this

a、代码

b、字节码指令集

c、指令解说

1. 第一个指令是 sipush 是正常的，因为300>127。
2. 但是为什么第二个指令的下标变成2了呢，原因是： 只要是 非 static 方法都有一个 this 变量在局部变量表中，然后形参 k 是第二个，则 i 是第三个，所以这里的指令下标是 2 。
   

前边的main 方法没有 this，是因为 main 方法有static。

• 要点：非static的局部变量表的第一个是this。

3、案例 3_加法指令_iadd

a、代码

b、字节码指令集

c、指令解说

• 先说下局部变量表，有 this，a，b，c 共四个。
• 指令描述如下：
  1. 指令 iload_1 iload_2 分别按顺序入操作栈 ；
  2. 指令iadd 则是将 int 类型的两个数出栈 相加 在入栈，此时栈中只有7；
  3. 指令 istore_3 则将操作栈 栈顶元素 7 出栈 赋值到局部变量表下标为 3 的 c 中
     

4、案例 4_创建对象指令

a、代码

b、字节码 指令集

m1()方法

main()方法

c、指令解说

• 从下图中也可以看出，线程栈中有两个栈针，一个 main() 方法，一个 m1() 方法。
• 局部变量表：
  • main() 中：args 、h。
  • m1() 中：this、i。
• 执行顺序如下：
  1. new 指令先 创建一个对象（load、linking、initializing等初始化），
  2. dup 指令，复制操作数栈栈顶的值，再入操作数栈。此时操作数栈中有两个一样的 Hello_02 对象，都指向对象的地址。
  3. invokespecial 指令，是执行 默认的构造函数 init。到了这儿，对象构造才算完毕，然后弹出栈就没啦，此时操作数栈中只有一个对象了。（invoke 指令有五种，后面在讲）
  4. astore_1 指令（注意这里是 a 开头），是将操作数栈中的对象出栈 赋值到 h 上。
  5. aload_1 指令，从局部变量表中在取出 入操作数栈。
  6. invokevirtual 指令，执行 m1() 栈针，然后 出栈 。
     • 然后执行 sipush 200 、 istore_1 和 return 指令。然后返回地址
  7. 然后再执行，return 执行完即可。
• 注意的点：
  • dup 指令：就是将操作栈中最上面的值复制一份，再压入操作栈中。
  • 半初始化状态，就是 new 和 invokevirtual 中间有个 dup 指令。

（上面main方法的栈针中的局部变量表中的this 错了，应该是args）

• 可以想到 栈溢出（over stack）
• 问题：DCL（双重检查，在JVM知识体系学习三 中有详细说明） 为什么要使用 volatile
  • 因为指令之间可能会指令重排

5、案例 5

a、案例5_1

i、代码

ii、字节码指令集

1. m1方法：
   
2. main方法
   

iii、指令解说

• m1() 方法

  1. bipush：看文档；就是将 byte 转成 int 类型的值，压入操作数栈
  2. ireturn：返回int 值，并出栈

• main() 方法

  1. 其余指令在上面案例中都讲过，我这里就稍微描述下
  2. new 需要仔细看文档 。开辟对象地址，并不是完整的创建对象，然后将对象引用入操作数栈。
  3. dup 复制对象引用入操作数栈。
  4. invokespecial：调用构造函数，完成对象初始化，并出栈，此时占中还有一个对象引用。
  5. astore_1：出栈，存储到局部变量表中下标为 1 的 h 中。
  6. aload_1：取出下标为 1 的局部变量边的位置的值，入操作数栈。
  7. invokevirtual：调用 m1 方法
     • 走 m1 的字节码指令集。
  8. pop函数，因为是返回，直接出栈即可。
• 注意是main 方法 指令中倒数第二个指令，与下个案例做对比。

b、案例5_2

i、代码

ii、字节码指令集

m1方法（和上个案例一样）

main方法

iii、指令解说

• 这里的指令与上一个案例只有一个地方不一样，就是main方法倒数第二个指令
• 这里是将操作数栈中的值取出，然后赋值给局部变量表中下标为 2 的变量 i 中。

6、案例 6 （递归指令集解说）

a、代码

b、字节码指令集：

m方法：

main方法

c、指令解说

• 有些难度，递归指令的描述。

四、常用指令

目前还没面试官问过，增长见识和知识点就OK。

1、常用命令

1. store
2. load
3. pop
4. mul
5. sub
6. invoke

2、invoke-共5个指令

1. InvokeStatic：调用静态方法
   

2. InvokeVirtual：自带多态，执行类的成员方法。
   

3. InvokeInterface：调用接口方法。
   

4. InovkeSpecial：

   • 可以直接定位，不需要多态的方法
   • private 方法 ， 构造方法
     

5. InvokeDynamic：

   • 1.7版本添加的指令，这时 java 开始支持动态语言。
   • JVM最难的指令
   • lambda表达式或者反射或者其他动态语言scala kotlin，或者CGLib ASM，动态产生的class，会用到的指令

package com.mashibing.jvm.c4_RuntimeDataAreaAndInstructionSet;

public class T05_InvokeDynamic {
    public static void main(String[] args) {

        I i = C::n;
        I i2 = C::n;
        I i3 = C::n;
        I i4 = () -> {
            C.n();
        };
        System.out.println(i.getClass());
        System.out.println(i2.getClass());
        System.out.println(i3.getClass());

        //for(;;) {I j = C::n;} //MethodArea <1.8 Perm Space (FGC不回收)
    }

    @FunctionalInterface
    public interface I {
        void m();
    }

    public static class C {
        static void n() {
            System.out.println("hello");
        }
    }
}

3、JDK1.8之前的一个BUG

• for(;;) {I j = C::n;}
  • JDK 在小于1.8之前叫 Perm Space（永久代），这时上面的代码会产生大量的class类，会存放在 MethodArea（方法区），这时在1.8之前 MethodArea 会产生一个巨大的bug：FGC（Full GC）不回收、不清理。
  • 所以在JDK1.8之前，会产生OOM，内存溢出，但是在1.8之后，如果清除不掉，也会产生OOM。