【JVM】内存结构
文章目录
1. 程序计数器
1.1 定义
程序计数器：Program Counter Register 程序计数器（寄存器）
作用：记住下一条jvm指令的执行地址。
特点：
- 是线程私有的(每个线程都有自己的程序计数器，切换线程的时候才知道接下来执行那条命令)。
- 随着线程的创建而创建，随线程销毁而销毁。
- 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
左侧的是 二进制字节码 ，它是jvm指令；而右侧的是 java源代码 。
但是这些jvm指令不能直接交给CPU执行，它需要先转成机器码才能交给CPU执行。这就需要使用到 解释器 将jvm指令转翻译成成机器码再交给CPU。
而程序计数器的作用就是记住下一条jvm指令的地址，如果没有程序计数器，jvm就不知道下一条该执行哪条命令。
①假设取出一条指令 xxx ，解释器将它翻译成机器码再交给CPU执行，与此同时，把下一条的指令地址放入程序计数器。
②等上一条指令执行完后，解释器再去程序计数器中取出下一条指令的地址，再执行①。
2. 虚拟机栈
2.1 定义
Java Virtual Machine Statcks (Java虚拟机栈)
- 每个线程运行所需要的内存，称为虚拟机栈。
- 每个栈由多个栈帧(Frame)组成，对应每次方法调用时占用的内存。
- 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：
- 垃圾回收是否涉及栈内存？
- 栈内存分配越大越好吗？
- 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范围，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。
1.答：不涉及。栈帧内存在每一次方法调用完毕之后都会弹出栈，不需要垃圾回收来管理栈内存。垃圾回收是去回收堆内存中的无用对象。
2.答：不是。栈内存越大只不过是能进行更多次的方法调用，而且栈内存分配的越大，所支持的线程数会越少。
3.答：安全。局部变量是线程私有的。
2.2 栈内存溢出
栈内存溢出场景：
- 栈帧过多导致栈内存溢出
- 栈帧过大导致栈内存溢出
栈内存大小可通过 -Xss 设置，比如设置 -Xss256k 。栈内存默认大小位1M。
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，得到pid
- 使用 ps H -eo pid,tid,%cpu | grep pid 。用ps命令进一步定位到是进程的哪个线程cpu占用过高，得到tid
- jstack pid
- 将tid转化为十六进制，与控制台输出比对，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
- 获得程序的进程id(pid)
- 使用
jstack pid查看信息，发现是死锁 - 在输出信息的末尾可以发现问题原因和代码的源码行号
3. 本地方法栈
本地方法：不是由java编写的方法，一般是c或c++代码编写的方法。本地方法运行时使用的内存就是本地方法栈。
4. 堆
4.1 定义
Heap 堆
- 通过new关键字创建的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
堆内存大小可以通过 -Xmx 设置，比如 -Xmx8m 。
一般来说不再被使用的对象就会被垃圾回收，但是如果对象一直创建一直被使用，那么就会导致堆内存溢出。
4.3 堆内存诊断
- jps工具
- 查看当前系统中有哪些java进程 (
jps)
- 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 pid)
- 查看堆内存占用情况 (
- jconsole工具
- 图形界面，多功能的监测工具，可以连续监测 (
jconsole)
- 图形界面，多功能的监测工具，可以连续监测 (
案例：
- 垃圾回收后，内存占用仍然很高。
5. 方法区
方法区是所有java虚拟机线程所共享的，它存储了类结构的相关信息，比如成员变量，方法和构造器代码，以及特殊方法。
方法区在虚拟机启动时创建，方法区在逻辑上是堆的组成部分，具体是不是堆的一部分不同jvm厂商的实现方式不一样。
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。
public class Demo{
public static void main(String[] args){
String s1="a";
String s2="b";
String s3="ab";
}
}
常量池中的信息在程序运行时都会被加载到运行时常量池中，这时a，b，c都还是常量池中的符号，还没有变为java字符串对象。只有当运行到程序引用了”它“的那一行，他才会成为字符串对象。
如下图所示：
①当程序运行到 ldc #2 时，就要去找一个 a 符号，找到a符号之后就会把它变成字符串对象。
②变成字符串对象之后，jvm需要准备一个 StringTable [] ，又称字符串常量池或串池，它在数据结构上是哈希表，长度固定，不能扩容。
③此时串池还为空，”a“字符串对象创建后把”a“作为key去 StringTable 中找是否有取值相同的key，如果没有，它就会把”a“放入串池。此时串池中只有一个 [“a”]
④接下来两行代码执行完后，串池已经有了三个字符串对象 StringTable ["a","b","ab"]。
在原来的代码中新增一行代码，如下所示：
public class Demo{
public static void main(String[] args){
String s1="a";
String s2="b";
String s3="ab";
String s4=s1+s2; //new StringBuilder().append("a").append("b").toString() = new String("ab")
System.out.println( s3 == s4 );
}
}
将代码编译之后再反编译，如下所示：
s4的值是通过new关键字创建出来的，它存储在堆中，而s3是串池中的字符串对象，它们的地址不同，所以输出false 。
继续增加代码：
public class Demo{
public static void main(String[] args){
String s1="a";
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 在编译期间就会将"a"+"b"优化为"ab",因为"a"和"b"都已经是常量了。而上一行的是变量，所以不会优化。
System.out.println( s3 == s4 ); //false
}
}
5.5 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。 - 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，如果有则不会放入，如果没有则会放入串池，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。
例：
public static main(String[] args){
String s = new String("a") + new String("b"); // new String("ab")
//串池 StringTable: [ "a","b" ]
//堆 new String("a") , new String("b") , new String("ab")
//再执行如下代码
String s2 = s.intern(); //将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则不会放入，如果没有则放入串池，会把串池中的对象返回。
//串池 StringTable: [ "a","b","ab" ]
//堆 new String("a") , new String("b") , new String("ab")
System.out.println(s2=="ab"); //true
System.out.println(s=="ab"); //true
}
5.6 StringTable 位置
在jdk1.6的版本中，StringTable在永久代中；在 jdk1.8 的版本中，StringTable在堆中。
5.7 StringTable 垃圾回收
Xmx10m指定虚拟机堆内存大小。XX:+PrintStringTableStatistics打印字符串常量池信息。-XX:+PrintGCDetails和-verbose:gc打印垃圾回收的信息，如果发生了垃圾回收，会把垃圾回收的次数和耗费时间打印出来
5.8 StringTable 性能调优
- 调整
-XX:StringTableSize=桶个数。最少1009个
桶的个数越多，元素越分散，哈希碰撞的几率就越低，查找的速度就越快。
- 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，保证相同的字符串在内存中只存一份。
6. 直接内存
6.1 定义
直接内存(Direct Memory)：直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。
jdk1.4 中新加入的 NIO (New Input/Output)类，引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的 I/O 方式，它可以直接使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。
特点：
- 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。
传统IO读写文件过程：
使用DirectBuffer之后读写文件的过程：
direct momory系统可以使用，java代码也可以使用，省略了从赋值系统内存中的数据到java缓冲区的操作，提高了效率。
直接内存溢出：
public class Demo {
static int _100MB = 1024 * 1024 * 100;
public static void main(String[] args) throws IOException {
List<ByteBuffer> list = new ArrayList<>();
int i = 0;
try {
while (true) {
//每次分配100mb的直接内存
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_100MB);
list.add(byteBuffer);
i++;
}
} finally {
System.out.println(i);
}
}
}
运行上述代码：
注：本机的直接内存分配不受java堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。
6.2 分配和回收原理
垃圾回收不会管理直接内存。
- 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。
在代码中编写 System.gc() 是显示的垃圾回收,它触发的是 Full GC，比较影响性能(不仅要回收新生代，还要回收老年代，会造成程序暂停时间比较长)。为防止一些程序员在代码中经常写 System.gc() ，我们做JVM调优时经常会加上 -XX:+DisableExplicitGC 虚拟机参数来禁用显示垃圾回收(使 System.gc() 无效)。但是加上这个参数后可能会影响直接内存的回收机制。
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