JVM学习之 内存结构

目录

• 一、引言
  • 1.什么是JVM?
  • 2.学习JVM有什么用
  • 3.常见的JVM
  • 4.学习路线
• 二、内存结构
  • 1. 程序计数器
    • 1.1 定义
    • 1.2作用
  • 2. 虚拟机栈
    • 2.1定义
    • 2.2栈内存溢出
    • 2.3线程运行诊断
  • 3. 本地方法栈
  • 4. 堆
    • 4.1定义
    • 4.2堆内存溢出
  • 5. 方法区
    • 5.1方法区
    • 5.2组成
    • 5.3方法区内存溢出
    • 5.4 运行时常量池
    • 5.5 StringTable
    • 5.6 StringTable的特性
    • 5.7 StringTable 位置
    • 5.8 StringTable 垃圾回收
    • 5.9 StringTable 性能调优
  • 6. 直接内存
    • 6.1 定义
    • 6.2 分配和回收原理

一、引言

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
   
   

2.学习JVM有什么用

• 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

4.学习路线

二、内存结构

1. 程序计数器

1.1 定义

Program Counter Register 程序计数器（寄存器）

在物理上：位于寄存器

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

1.2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

2.1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？
   
   栈内存并不涉及垃圾回收，栈内存的产生就是方法一次一次调用产生的栈帧内存，而栈帧内存在每次方法被调用后都会被弹出栈，自动就被回收掉，不需要垃圾回收。来管理

2. 栈内存分配越大越好吗？
   
   不是，在线程不多的情况下，栈内存分配大在递归时能提高运行速度，但他会影响线程的数目，从而影响到整个系统的运行速度

3. 方法内的局部变量是否线程安全？
   
   如果方法内局部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，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全，

   如果是共享的需要考虑线程安全，如果是私有的不用考虑线程安全

2.2栈内存溢出

• 栈帧过多导致栈内存溢出 ---->一般递归的时候容易出现
• 栈帧内存过大导致栈内存溢出 --->不易出现
• StackOverflowError 栈内存溢出异常
• @JsonIgnore

2.3线程运行诊断

案例1：cpu占用过多

定位

• 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

一些带有 native 关键字的方法就是需要 JAVA 去调用本地的C或者C++方法，因为 JAVA 有时候没法直接和操作系统底层交互，所以需要用到本地方法栈，服务于带 native 关键字的方法。

为本地的方法提供一个运行的空间

4. 堆

4.1定义

Heap 堆

• 通过 new 关键字，创建对象都会使用堆内存
  
  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

4.2堆内存溢出

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

5.1方法区

Java 虚拟机有一个在所有 Java 虚拟机线程之间共享的方法区。方法区类似于传统语言的编译代码的存储区，或者类似于操作系统进程中的“文本”段。它存储每个类的结构，例如运行时常量池、字段和方法数据，以及方法和构造函数的代码，包括类和实例初始化以及接口初始化中使用 的特殊方法。

方法区是在虚拟机启动时创建的。尽管方法区在逻辑上是堆的一部分，但简单的实现可能会选择不进行垃圾收集或压缩它。本规范不要求方法区域的位置或用于管理已编译代码的策略。方法区域可以是固定大小，也可以根据计算需要扩大，如果不需要更大的方法区域，可以缩小。方法区的内存不需要是连续的。

Java 虚拟机实现可以为程序员或用户提供对方法区域初始大小的控制，以及在方法区域大小可变的情况下，对最大和最小方法区域大小的控制。

以下异常情况与方法区相关：

如果方法区域中的内存无法满足分配请求，Java 虚拟机将抛出一个OutOfMemoryError.

JVM规范-方法区定义

5.2组成

5.3方法区内存溢出

• 1.8 以前会导致永久代内存溢出
  
  演示永久代内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
  
  -XX:MaxPermSize=8m

• 1.8 之后会导致元空间内存溢出
  
  演示元空间内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
  
  -XX:MaxMetaspaceSize=8m
  
  场景：

      spring
      mybatis

5.4 运行时常量池

// 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）
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

然后使用 javap -v Test.class 命令反编译查看结果：



每条指令都会对应常量池表中一个地址，常量池表中的地址可能对应着一个类名、方法名、参数类型等信息。

• 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

5.5 StringTable

面试题：

        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "a" + "b"; // ab
        String s4 = s1 + s2;   // new String("ab")
        String s5 = "ab";
        String s6 = s4.intern();

// 问
        System.out.println(s3 == s4); // false
        System.out.println(s3 == s5); // true
        System.out.println(s3 == s6); // true

        String x2 = new String("c") + new String("d"); // new String("cd")
        x2.intern();
        String x1 = "cd";

// 问，如果调换了【最后两行代码】的位置呢，如果是jdk1.6呢
        System.out.println(x1 == x2);
                // jdk1.6:
        // String x1 = "cd";            x2.intern();
        // x2.intern();  false          String x1 = "cd"; ture

        // jdk1.8:
        // String x1 = "cd";            x2.intern();
        // x2.intern();  false          String x1 = "cd"; ture

练习：

// StringTable [ "a", "b" ,"ab" ]  hashtable 结构，不能扩容
public class Demo1_22 {
    // 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
    // ldc #2 会把 a 符号变为 "a" 字符串对象
    // ldc #3 会把 b 符号变为 "b" 字符串对象
    // ldc #4 会把 ab 符号变为 "ab" 字符串对象

    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "a"; // 懒惰的
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        String s4 = s1 + s2; // new StringBuilder().append("a").append("b").toString()  new String("ab")
        String s5 = "a" + "b";  // javac 在编译期间的优化，结果已经在编译期确定为ab
        System.out.println(s3 == s4);//s3是在串池中的，而s4则是在堆中，所有不相等

        System.out.println(s3 == s5);// true
    }
}

使用javap -v Demo1_22.class命令

5.6 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，如果有则并不会放入，如果没有则放入串池， 会把串 池中的对象的引用返回
  
  1.6 将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则并不会放入，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

5.7 StringTable 位置

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

5.8 StringTable 垃圾回收

-Xmx10m 指定堆内存大小

-XX:+PrintStringTableStatistics 打印字符串常量池信息

-XX:+PrintGCDetails

-verbose:gc 打印 gc 的次数，耗费时间等信息

演示StingTable垃圾回收：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        try {
            for (int j = 0; j < 100000; j++) { // j=100, j=10000
                String.valueOf(j).intern();
                i++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(i);
        }

    }

5.9 StringTable 性能调优

调整 -XX:StringTableSize=桶个数

考虑将字符串对象是否入池

6. 直接内存

6.1 定义

Direct Memory

• 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

文件读写过程（IO）：

因为 java 不能直接操作文件管理，需要切换到内核态，使用本地方法进行操作，然后读取磁盘文件，会在系统内存中创建一个缓冲区，将数据读到系统缓冲区， 然后在将系统缓冲区数据，复制到 java 堆内存中。缺点是数据存储了两份，在系统内存中有一份，java 堆中有一份，造成了不必要的复制。

使用了 DirectBuffer 文件读取流程：



直接内存是操作系统和 Java 代码都可以访问的一块区域，无需将代码从系统内存复制到 Java 堆内存，从而提高了效率。

6.2 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，一但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方法 来释放直接内存。