作者：和你在一起
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一. JVM的運行數據區
首先我簡單來畫一張 JVM的結構原理圖，如下。
我們重點關注 JVM在運行時的數據區，你可以看到在程序運行時，大致有5個部分。
1.方法區
不止是存“方法”，而是存儲整個 class文件的信息，JVM運行時，類加載器子系統將會提取 class文件裡面的類信息，並將其存放在方法區中。例如類的名稱、類的類型（枚舉、類、接口）、字段、方法等等。
2.堆（ Heap）
熟習 c/c++編程的同學們應該相當熟習 Heap了，而對於Java而言，每個應用都唯一對應一個JVM實例，而每一個JVM實例唯一對應一個堆。堆主要包括關鍵字 new的對象實例、 this指針，或者者數組都放在堆中，並由應用所有的線程共享。堆由JVM的自動內存管理機制所管理，名為垃圾回收—— GC（garbage collection）。
3.棧（ Stack）
操作系統內核為某個進程或者者線程建立的存儲區域,它保存著一個線程中的方法的調用狀態，它具備先進後出的特性。在棧中的數據大小與生命週期嚴格來說都是確定的，例如在一個函數中公告的int變量便是存儲在 stack中，它的大小是固定的，在函數退出後它的生命週期也從此結束。在棧中，每一個方法對應一個棧幀，JVM會對Java棧執行兩種操作：壓棧和出棧。這兩種操作在執行時都是以棧幀為單位的。還有少量即時編譯器編譯後的代碼等數據。
4.PC寄存器
pc寄存器用於存放一條指令的地址，每一個線程都有一個PC寄存器。
5.本地方法棧
用來調用其餘語言的本地方法，例如 C/C++寫的本地代碼， 這些方法在本地方法棧中執行，而不會在Java棧中執行。
二. 數據類型
Java虛擬機中，數據類型可以分為兩類：基本類型和引用類型。
- 基本類型的變量保存原始值，即：他代表的值就是數值本身；
- 而引用類型的變量保存引用值。“引用值”代表了某個對象的引用，而不是對象本身，對象本身存放在這個引用值所表示的地址的位置。
- 基本類型包括：byte,short,int,long,char,float,double,Boolean,returnAddress。
- 引用類型包括：類類型，接口類型和數組。
三. 堆與棧
堆和棧是程序運行的關鍵，很有必要把他們的關係說清楚。
棧是運行時的單位，而堆是存儲的單位。
棧解決程序的運行問題，即程序如何執行，或者說如何處理數據；堆解決的是數據存儲的問題，即數據怎麼放、放在哪兒。
在Java中一個線程就會相應有一個線程棧與之對應，這點很容易理解，因為不同的線程執行邏輯有所不同，因此需要一個獨立的線程棧。而堆則是所有線程共享的。
棧因為是運行單位，因此裡面存儲的信息都是跟當前線程（或程序）相關信息的。包括局部變量、程序運行狀態、方法返回值等等；而堆只負責存儲對象信息。
為什麼要把堆和棧區分出來呢？棧中不是也可以存儲數據嗎？
第一，從軟件設計的角度看，棧代表了處理邏輯，而堆代表了數據。這樣分開，使得處理邏輯更為清晰。分而治之的思想。這種隔離、模塊化的思想在軟件設計的方方面面都有體現。
第二，堆與棧的分離，使得堆中的內容可以被多個棧共享（也可以理解為多個線程訪問同一個對象）。這種共享的收益是很多的。一方面這種共享提供了一種有效的數據交互方式(如：共享內存)，另一方面，堆中的共享常量和緩存可以被所有棧訪問，節省了空間。
第三，棧因為運行時的需要，比如保存系統運行的上下文，需要進行地址段的劃分。由於棧只能向上增長，因此就會限制住棧存儲內容的能力。而堆不同，堆中的對象是可以根據需要動態增長的，因此棧和堆的拆分，使得動態增長成為可能，相應棧中只需記錄堆中的一個地址即可。
第四，面向對象就是堆和棧的完美結合。其實，面向對象方式的程序與以前結構化的程序在執行上沒有任何區別。但是，面向對象的引入，使得對待問題的思考方式發生了改變，而更接近於自然方式的思考。當我們把對象拆開，你會發現，對象的屬性其實就是數據，存放在堆中；而對象的行為（方法），就是運行邏輯，放在棧中。我們在編寫對象的時候，其實即編寫了數據結構，也編寫的處理數據的邏輯。不得不承認，面向對象的設計，確實很美。
在 Java 中，main 函數就是棧的起始點，也是程序的起始點。
程序要運行總是有一個起點的。同 C 語言一樣，java 中的 main 就是那個起點。無論什麼 java 程序，找到 main 就找到了程序執行的入口。
四. Java對象的大小
基本數據的類型的大小是固定的，這裡就不多說了。對於非基本類型的Java對象，其大小就值得商榷。
在Java中，一個空Object對象的大小是8byte，這個大小隻是保存堆中一個沒有任何屬性的對象的大小。看下面語句：
Object ob = new Object();
這樣在程序中完成了一個Java對象的生命，但是它所佔的空間為：4byte+8byte。4byte是上面部分所說的Java棧中保存引用的所需要的空間。而那8byte則是Java堆中對象的信息。
因為所有的Java非基本類型的對象都需要默認繼承Object對象，因此不論什麼樣的Java對象，其大小都必須是大於8byte。
有了Object對象的大小，我們就可以計算其他對象的大小了。
Class NewObject {
int count;
boolean flag;
Object ob;
}
其大小為：空對象大小(8byte)+int大小(4byte)+Boolean大小(1byte)+空Object引用的大小(4byte)=17byte。但是因為Java在對對象內存分配時都是以8的整數倍來分，因此大於17byte的最接近8的整數倍的是24，因此此對象的大小為24byte。
這裡需要注意一下基本類型的包裝類型的大小。因為這種包裝類型已經成為對象了，因此需要把他們作為對象來看待。包裝類型的大小至少是12byte（聲明一個空Object至少需要的空間），而且12byte沒有包含任何有效信息，同時，因為Java對象大小是8的整數倍，因此一個基本類型包裝類的大小至少是16byte。
這個內存佔用是很恐怖的，它是使用基本類型的N倍（N>2），有些類型的內存佔用更是誇張（隨便想下就知道了）。因此，可能的話應儘量少使用包裝類。在JDK5.0以後，因為加入了自動類型裝換，因此，Java虛擬機會在存儲方面進行相應的優化。
五. 引用類型
對象引用類型分為強引用、軟引用、弱引用和虛引用。
強引用：就是我們一般聲明對象是時虛擬機生成的引用，強引用環境下，垃圾回收時需要嚴格判斷當前對象是否被強引用，如果被強引用，則不會被垃圾回收
軟引用：軟引用一般被做為緩存來使用。與強引用的區別是，軟引用在垃圾回收時，虛擬機會根據當前系統的剩餘內存來決定是否對軟引用進行回收。
如果剩餘內存比較緊張，則虛擬機會回收軟引用所引用的空間；如果剩餘內存相對富裕，則不會進行回收。
換句話說，虛擬機在發生OutOfMemory時，肯定是沒有軟引用存在的。
弱引用：弱引用與軟引用類似，都是作為緩存來使用。但與軟引用不同，弱引用在進行垃圾回收時，是一定會被回收掉的，因此其生命週期只存在於一個垃圾回收週期內。
強引用不用說，我們系統一般在使用時都是用的強引用。而“軟引用”和“弱引用”比較少見。他們一般被作為緩存使用，而且一般是在內存大小比較受限的情況下做為緩存。
因為如果內存足夠大的話，可以直接使用強引用作為緩存即可，同時可控性更高。因而，他們常見的是被使用在桌面應用系統的緩存。
六.Java中參數傳遞時傳值還是傳引用？
要說明這個問題，先要明確兩點：
1. 不要試圖與C進行類比，Java中沒有指針的概念
2. 程序運行永遠都是在棧中進行的，因而參數傳遞時，只存在傳遞基本類型和對象引用的問題。不會直接傳對象本身。
明確以上兩點後。Java在方法調用傳遞參數時，因為沒有指針，所以它都是進行傳值調用（這點可以參考C的傳值調用）。因此，很多書裡面都說Java是進行傳值調用，這點沒有問題，而且也簡化的C中複雜性。
但是傳引用的錯覺是如何造成的呢？在運行棧中，基本類型和引用的處理是一樣的，都是傳值，所以，如果是傳引用的方法調用，也同時可以理解為“傳引用值”的傳值調用，即引用的處理跟基本類型是完全一樣的。但是當進入被調用方法時，被傳遞的這個引用的值，被程序解釋（或者查找）到堆中的對象，這個時候才對應到真正的對象。如果此時進行修改，修改的是引用對應的對象，而不是引用本身，即：修改的是堆中的數據。所以這個修改是可以保持的了。
對象，從某種意義上說，是由基本類型組成的。可以把一個對象看作為一棵樹，對象的屬性如果還是對象，則還是一顆樹（即非葉子節點），基本類型則為樹的葉子節點。程序參數傳遞時，被傳遞的值本身都是不能進行修改的，但是，如果這個值是一個非葉子節點（即一個對象引用），則可以修改這個節點下面的所有內容。
堆和棧中，棧是程序運行最根本的東西。程序運行可以沒有堆，但是不能沒有棧。而堆是為棧進行數據存儲服務，說白了堆就是一塊共享的內存。不過，正是因為堆和棧的分離的思想，才使得Java的垃圾回收成為可能。
Java中，棧的大小通過-Xss來設置，當棧中存儲數據比較多時，需要適當調大這個值，否則會出現java.lang.StackOverflowError異常。常見的出現這個異常的是無法返回的遞歸，因為此時棧中保存的信息都是方法返回的記錄點。
七. Java虛擬機中對象的訪問及存放
舉個實例Student stu=new Student();
這份代碼中Student stu是一個引用變量所以存放在java虛擬機棧上，new Student()是一個實例對象存放在java堆上。另外，在Java 堆中還必須包含能查找到此對象類型數據（如對象類型、父類、實現的接口、方法等）的地址信息，這些類型數據則存儲在方法區中。
由於reference 類型在Java 虛擬機規範裡面只規定了一個指向對象的引用，並沒有定義這個引用應該通過哪種方式去定位，以及訪問到Java 堆中的對象的具體位置，因此不同虛擬機實現的對象訪問方式會有所不同，主流的訪問方式有兩種：使用句柄和直接指針。如果使用句柄訪問方式Java 堆中將會劃分出一塊內存來作為句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數據和類型數據各自的具體地址信息，如下圖所示。
指針方式
Java 堆對象的佈局中就必須考慮如何放置訪問類型
這兩種對象的訪問方式各有優勢，使用句柄訪問方式的最大好處就是reference 中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動（垃圾收集時移動對象是非常普遍的行為）時只會改變句柄中的實例數據指針，而引用對象本身不需要被修改。使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節省了一次指針定位的時間開銷，由於對象的訪問在Java 中非常頻繁，因此這類開銷積少成多後也是一項非常可觀的執行成本。
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