JVM（一）——内存结构

一. 前言

1、什么是 JVM?

1）定义：
Java Virtual Machine - java 程序的运行环境（java 二进制字节码的运行环境）
2）好处：

  • 一次编写，到处运行
  • 自动内存管理，垃圾回收功能
  • 数组下标越界检查
  • 多态

3）比较：
jvm jre jdk的关系如下图
在这里插入图片描述

2、学习 JVM 有什么用 ?

  • 面试
  • 理解底层的实现原理
  • 中高级程序员的必备技能

3、常见的JVM

在这里插入图片描述

4、学习路线

在这里插入图片描述

二、内存结构

1、程序计数器

1）定义
Program Counter Register 程序计数器（寄存器）
作用，是记住下一条jvm指令的执行地址
特点

  • 是线程私有的
  • 不会存在内存溢出

2）作用

0: getstatic #20 // PrintStream out = System.out; 
3: astore_1 // -- 
4: aload_1 // out.println(1); 
5: iconst_1 // -- 
6: invokevirtual #26 // -- 
9: aload_1 // out.println(2); 
10: iconst_2 // -- 
11: invokevirtual #26 // -- 
14: aload_1 // out.println(3); 
15: iconst_3 // -- 
16: invokevirtual #26 // -- 
19: aload_1 // out.println(4); 
20: iconst_4 // -- 
21: invokevirtual #26 // -- 
24: aload_1 // out.println(5); 
25: iconst_5 // -- 
26: invokevirtual #26 // -- 
29: return
  • 解释器会解释指令为机器码交给 cpu 执行，程序计数器会记录下一条指令的地址行号，这样下一次解释器会从程序计数器拿到指令然后进行解释执行。
  • 多线程的环境下，如果两个线程发生了上下文切换，那么程序计数器会记录线程下一行指令的地址行号，以便于接着往下执行。

2、虚拟机栈

1）定义
Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）

  • 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈
  • 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
  • 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

问题辨析：

  1. 垃圾回收是否涉及栈内存？
    不涉及栈内存，栈内存是在方法调用时产生的，栈帧在每次弹出栈后，会被自动回收掉。
  2. 栈内存分配越大越好吗？
    不是。因为物理内存是一定的，栈内存越大，可以支持更多的递归调用，但是可执行的线程数就会越少。
  3. 方法内的局部变量是否线程安全
    • 如果方法内部的变量没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的-
    • 如果是局部变量引用了对象，并逃离了方法的访问，那就要考虑线程安全问题。

2）栈内存溢出

报错： java.lang.StackOverFlowError

  • 栈帧过多会导致栈内存溢出。常发生在递归调用过多，或循环引用问题
  • 栈帧过大会导致栈内存溢出
    -Xss指令可以为虚拟机栈分配内存大小。

3）线程运行诊断
案例：cpu 占用过多

  • 用top定位哪个进程对cpu的占用过高
  • ps H -eo pid,tid,%cpu | grep 进程id （用ps命令进一步定位是哪个线程引起的cpu占用过高）
  • jstack 进程id
    • 可以根据线程id 找到有问题的线程，进一步定位到问题代码的源码行号

3、本地方法栈

java 语言调用其他语言的方法或接口，实现更底层的应用和操作，本地方法栈就是用来存储的。例如 java 中的 native 关键字所引用的就是 c 或 c++ 的方法。

4、堆

1）定义
Heap 堆

  • 对于Java应用程序来说，Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所
    有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java
    世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

特点

  • 它是线程共享的堆中对象都需要考虑线程安全的问题
  • 有垃圾回收机制

2）堆内存溢出

报错：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

-Xmx 指令可以指定堆内存大小。

3）堆内存诊断

  1. jps 工具
    查看当前系统中有哪些 java 进程
  2. jmap 工具
    查看堆内存占用情况 jmap - heap 进程id
  3. jconsole 工具
    图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测
  4. jvisualvm 工具

5、方法区

1）定义
方法区和堆一样，是各个线程共享的内存区域，存储了每个类的结构，例如成员变量、静态变量、方法数据、成员方法、构造器和运行时常量池。
虽然方法区逻辑上是堆的一部分，但是简单的实现可以不同，方法区只是一个规范，例如jdk8之前hotspot虚拟机的"永久代"就是方法区的实现方式之一。jdk8后，使用hotspot虚拟机使用"元空间"的方式实现方法区，也就是在本地内存来实现元空间。

2）组成
在这里插入图片描述
3）方法区内存溢出

jdk1.8之前 报错：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
jdk1.8之后 报错：java.lang.OutOfMemoryError: Meta space

使用 -XX:MaxPermSize=8m 指定永久代内存大小
使用 -XX:MaxMetaspaceSize=8m 指定元空间大小
场景：

  • spring
  • mybatis

    cglib

4）运行时常量池
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字
段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生
成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
在
*.class 文件目录下使用javap -v ./HelloWorld.class查看二进制字节码（类基本信息，常量池，类方法定义，包含了虚拟机指令）
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • 常量池，就是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量
    等信息
  • 运行时常量池，常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量
    池，并把里面的符号地址变为真实地址

5）StringTable

StringTable 底层是 HashTable ，存储的字符串是唯一的，不能扩容。

常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中，这时 a b ab 都是常量池中的符号，还没有变为 java 字符串对象

public static void main(String[] args) {String s1 = "a";	// 默认懒加载String s2 = "b";String s3 = "ab";		// 在 StringTable 字符串常量池中创建String s4 = s1 + s2;	// new StringBuilder().append("a").append("b").toString(); => new String("ab");	在堆中创建的对象String s5 = "a" + "b";	// javac 在编译期间的优化，结果已经在编译期间确定为 ab,即 s5 == s3 -> true
}

在这里插入图片描述

6）StringTable 的特性

  • 常量池中的字符串仅是符号，第一次用到时才变为对象
  • 利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象
  • 字符串变量拼接的原理是 StringBuilder （1.8）
  • 字符串常量拼接的原理是编译期优化
  • 可以使用 intern 方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池
    • 1.8 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则直接返回串池中的对象，如果没有则放入串池， 会把串池中的对象返回
    • 1.6 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则直接返回串池中的对象，如果没有会把此对象复制一份，放入串池， 会把串池中的对象返回

例1：

// 在 jdk1.8中
public class Main{public static void main(String[] args) {// 串池StringTable["a", "b"]// 堆 new String("a"), new String("b"), new StringBuilder() * 3, new String("ab")String s = new String("a") + new String("b");	//一共创建了 6 个对象// TODO: 字符串对象s调用intern()方法, 由于串池中没有"ab"，将 s 放入串池中，直接返回串池中的对象String s2 = s.intern();		String x = "ab";	// 取出串池中的 "ab"System.out.println( s2 == x);	// trueSystem.out.println( s == x );	// true}
}

例2：

// 在 jdk1.6中
public class Main{public static void main(String[] args) {// 串池StringTable["a", "b"]// 堆 new String("a"), new String("b"), new StringBuilder() * 3, new String("ab")String s = new String("a") + new String("b");	//一共创建了 6 个对象// TODO: 字符串对象s调用intern()方法, 由于串池中没有"ab", 字符串对象s会被复制一份放到串池中，返回串池中的对象String s2 = s.intern();		String x = "ab";		// 取出串池中的 "ab"System.out.println( s2 == x);	// trueSystem.out.println( s == x );	// false}
}

7）StringTable的位置

jdk1.6 StringTable 位置是在永久代中，1.8 StringTable 位置是在堆中。

8）StringTable垃圾回收
添加虚拟机参数：-Xmx10m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc

public class Demo1_7 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {int i = 0;try {for (int j = 0; j < 10000; j++) { // j=100, j=10000String.valueOf(j).intern();i++;}} catch (Throwable e) {e.printStackTrace();} finally {System.out.println(i);}}
}

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2048K->496K(2560K)] 2048K->720K(9728K), 0.0015984 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
10000 	# 10000个字符被GC回收了一部分
...
StringTable statistics:
Number of buckets       :     60013 =    480104 bytes, avg   8.000
Number of entries       :      5671 =    136104 bytes, avg  24.000
Number of literals      :      5671 =    346048 bytes, avg  61.021	# 字符串常量池中的字符串
Total footprint         :           =    962256 bytes

9）StringTable性能调优

如果需要添加的字符串常量的数量很多，可以适当增加HashTable桶的个数，来减少字符串放入串池所需要的时间。

-XX:StringTableSize=桶个数（最少设置为 1009 以上）
  • 考虑将字符串对象是否入池
    • 可以通过 intern 方法减少重复入池

6、直接内存

1）定义

  • 常见于 NIO 操作时，用于数据缓冲区
  • 分配回收成本较高，但读写性能高
  • 不受 JVM 内存回收管理

2）分配和回收原理

  • 使用了 Unsafe 对象完成直接内存的分配回收，并且回收需要主动调用 freeMemory 方法
  • ByteBuffer 的实现类内部，使用了 Cleaner （虚引用）来监测 ByteBuffer 对象，一旦
    ByteBuffer 对象被垃圾回收，那么就会由 ReferenceHandler 线程通过 Cleaner 的 clean 方法调
    用 freeMemory 来释放直接内存。

在进行JVM调优时，尝试用-XX:+DisableExplicitGC指令，可以防止我们自己手动的进行垃圾回收 (System.gc())。
但是在直接内存中，JVM无法自动对直接内存进行垃圾回收，我们可以通过 Unsafe 中的 freeMemory 方法手动释放内存

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