JVM----内存结构

2023-09-29 11:37:10

Java Virtual Machine - java 程序的运行环境（java 二进制字节码的运行环境）

一、内存结构

程序计数器
虚拟机栈
本地方法栈
堆
方法区

1. 程序计数器

1.1 定义

Program Counter Register 程序计数器（寄存器）

1.2 作用

        二进制字节码       jvm指令         java源代码
		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

拿到指令 --> 解释器转为机器码 --> 机器码给CPU

作用：是记住下一条jvm指令的执行地址
特点：
1. 是线程私有的
假如现在有一本书，有好几个同学都想看，我们采取这样的策略让所有同学都能看到：每个人看一天，不管看没看完都要交给下一个人看，不断循环，直到所有人看完。每个同学都有一个小卡片记录自己看到了哪里，这样下次轮到自己看的时候就能快速的接着上次看到的地方继续看。

Java虚拟机中多线程采用时间片轮转的方式实现，一个处理器（如果是多核处理器就是一个内核）同一时间只能被一个线程使用，同一时间只能执行一个线程的指令，当时间片用完，处理器就要交给别的线程使用，为了下一次轮到自己使用处理器是能够接着执行现在的指令，使用一个计数器来记录。
1. 不会存在内存溢出

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
- 栈帧：参数、局部变量、返回地址
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

演示栈帧

public class Demo1_1 {

    public static void main(String[] args) {
        method1();
    }

    private static void method1() {
        method2(1, 2);
    }

    private static int method2(int a, int b) {
        int c = a + b;
        return c;
    }
}

问题辨析

垃圾回收是否涉及栈内存？不需要垃圾回收栈内存。
栈内存分配越大越好吗？不是，分配的越大，可以更多次的递归方法调用，但会使线程的数目变少。（一般使用系统默认大小）
方法内的局部变量是否线程安全？是，每一个线程会有自己的一个栈帧，局部变量互不影响。如果是static成员变量、成员变量或者形参，其他线程可能会访问到他，则会产生影响，线程不安全

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

2.2 栈内存溢出

java.lang.*Error

栈帧过多导致栈内存溢出（递归、第三方库）
- -Xss：设置线程栈的大小
栈帧过大导致栈内存溢出

2.3 线程运行诊断

案例1： cpu 占用过多

定位

用top命令定位哪个进程对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（进程id为10进制，jstack为16进制），进一步定位到问题代码的源码行号

案例2：程序运行很长时间没有结果

3. 本地方法栈

本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈，均具有线程隔离的特点以及都能抛出*Error和

OutOfMemoryError异常。

不同的是，本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法，而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法。

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 ( -Xmx8m 堆最大值)

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

4.3 堆内存诊断

jps 工具

查看当前系统中有哪些 java 进程
jmap 工具

查看堆内存占用情况 jmap - heap 进程id
jconsole 工具

图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测

更好用的（堆转储dump）：jvisualvm

5. 方法区

1.8之前永久代使用堆内存

1.8之后元空间使用操作系统空间

5.1 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

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

先看几道面试题：

String s1 = "a";
String s2 = "b"; 
String s3 = "a" + "b";  //常量池：ab
String s4 = s1 + s2;  // 堆：new String("ab");
String s5 = "ab";
String s6 = s4.intern();    // 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， 都会把串池中的对象返回
// https://zhuanlan.zhihu.com/p/55468381   intern()
// 问
System.out.println(s3 == s4);   // false s3是在常量池中的，s4是在堆中的
System.out.println(s3 == s5);   // true  都在常量池中
System.out.println(s3 == s6);   // true  都在常量池中
String x2 = new String("c") + new String("d");  
String x1 = "cd";  
x2.intern();  // 没有做任何操作，如果取返回值比较，则为true
// 问，如果调换了【最后两行代码】的位置呢，如果是jdk1.6呢 // true,在常量cd进入常量池之前创建cd常量
// 1.6 的话，则会复制一份放入常量池，x2 == x1 false
System.out.println(x1 == x2);  // false

5.6 StringTable 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

 * 演示 StringTable 位置
 * 在jdk8下设置 -Xmx10m -XX:-UseGCOverheadLimit  //  在堆空间下
 * 在jdk6下设置 -XX:MaxPermSize=10m   //  在永久代里面

5.8 StringTable 垃圾回收

-Xmx10m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc

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

操作系统的内存

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

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

-XX:+DisableExplicitGC 禁用显式的调用System.gc();

此时需要释放直接内存时，则需要unsafe来直接管理内存

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