JVM内存结构

1. JVM的内存结构

JVM的内存结构主要包括五个部分：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆和方法区，其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈是线程独有的，而堆和方法区是线程共享的。

---

1.1 程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。是为了线程切换后能恢复到正确的执行位置。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器指示的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行一个native方法，计数器则为空（Undefined）。

1.2 虚拟机栈（JVM Stacks）

每个栈由多个栈帧组成，当执行一个方法时会创建一个栈帧，方法的调用到结束对应了栈帧的入栈到出栈，每个栈中同一时间只有一个活动栈帧：即同一时间线程中只有一个方法在执行。

栈由多个栈帧组成，栈帧中存放了局部变量表、操作数栈、动态链接和方法出口等信息。

1.2.1 栈内存溢出

当出现递归程度很深的程序时，栈一直进行入栈操作，内存可能会耗尽，此时会出现StackOverFlowError的错误。

    public void stackError(int i){
        i++;
        stackError(i);
    }
    public static void main(String[] args) {
        new StackError().stackError(1);
    }

可以使用-Xss256K来设置栈帧的大小

1.3 本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法：不由java代码编写的方法，用native关键字修饰，不给出实际的方法实现体，大多由操作系统提供。

本地方法栈和虚拟机栈的功能类似，不同点是本地方法栈为本地方法服务。

---

2.1 堆（Heap）

主要存放对象实例。

2.1.1 特点

①：线程共享；

②：存在垃圾回收。

2.1.2 堆内存溢出

堆内存不够用时出现OutOfMemoryError：Java heap space错误：

    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList();
        while(true){
            list.add("heapError");
        }
    }

2.1.3 堆内存的诊断

①：使用jps命令查看哪个java进程出现错误；

②：使用jmap -heap pid查看堆内存的占用情况，类似快照；

③：也可以使用jconsole，它是图形界面的，可以连续监测，类似视频；

2.2 方法区（Method Area）

存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。

1.7前使用永久代（PermGen）实现，在1.8后使用元空间（Metaspace）实现。

使用-XX:MaxMetaspaceSize=8m设置最大元空间大小。

2.2.1 元空间溢出

OutOfMemory：metaspace

2.2.2 常量池

存放字面量和符号引用。

2.2.3 运行时常量池

当类的字节码被加载时会将此类的常量池信息放入运行时常量池，出了保存符号地址，还保存了翻译出来的真正的内存地址。

2.2.4 串池String Teble

是一个HashTable，即桶的个数是它的大小，它主要存放字符串常量。

在java里字符串的构造主要有两种：

①：String str = new String("123");

②：String str = "123";

第一种方式创建的对象被存放在堆内存中，每次调用都会产生一个新的对象；

第二种会先从串池中找是否有和"123"相同的字符串，如果有则将串池中的字符串引用赋给str，若没有则将"123"加入串池中，然后将加入到串池中的"123"的引用赋给str。

我们来验证一下：

        String str1 = "123";
        String str2 = new String("123");
        System.out.println(str1 == str2);

运行以上代码：

拼接字符串的本质

先来看下面这段代码：

        String str1 = "q";
        String str2 = "w";
        String str3 = "qw";
        String str4 = str1 + str2;
        System.out.println(str3 == str4);

.我先运行

为什么是flase？我们用javap -v StringTable.class命令看看二进制字节码中的JVM指令：

可见字符串拼接由StringConcatFactory中的makeConcatWithConstant实现，我找到了makeConcatWithConstant方法，里面有STRATEGY枚举，这是实现拼接的六种策略：

    private static enum Strategy {
        BC_SB,
        BC_SB_SIZED,
        BC_SB_SIZED_EXACT,
        MH_SB_SIZED,
        MH_SB_SIZED_EXACT,
        MH_INLINE_SIZED_EXACT;

        private Strategy() {
        }
    }

switch(STRATEGY) {
    case BC_SB:
        return StringConcatFactory.BytecodeStringBuilderStrategy.generate(lookup, className, mt, recipe, StringConcatFactory.Mode.DEFAULT);
    case BC_SB_SIZED:
        return StringConcatFactory.BytecodeStringBuilderStrategy.generate(lookup, className, mt, recipe, StringConcatFactory.Mode.SIZED);
    case BC_SB_SIZED_EXACT:                
        return StringConcatFactory.BytecodeStringBuilderStrategy.generate(lookup, className, mt, recipe, StringConcatFactory.Mode.SIZED_EXACT);            
    case MH_SB_SIZED:
        return StringConcatFactory.MethodHandleStringBuilderStrategy.generate(mt, recipe, StringConcatFactory.Mode.SIZED);
    case MH_SB_SIZED_EXACT:    
        return StringConcatFactory.MethodHandleStringBuilderStrategy.generate(mt, recipe, StringConcatFactory.Mode.SIZED_EXACT);
    case MH_INLINE_SIZED_EXACT:
        return StringConcatFactory.MethodHandleInlineCopyStrategy.generate(mt, recipe);
    default:
        throw new StringConcatException("Concatenation strategy " + STRATEGY + " is not implemented");
}

可以发现前五种都是和StringBuilder有关，而我们采用的是默认方式，所以应该是第一种StringConcatFactory.Mode.DEFAULT。在jdk8中用"+"连接的字符串变量是纯用StringBuilder实现的，通过使用append方法追加字符串，toString方法创建新的字符串，所以用"+"连接的字符串本质上还是用new创建了新的String对象，所以它连接后的字符串属于堆内存。

再看一个代码：

    String str1 = "q" + "w";
    String str2 = "qw";
    System.out.println(str1 == str2);

对于常量字符串的拼接，javac在编译期就进行了优化处理，拿到的字符串是"qw"，所以没有makeConcatWithConstant方法的调用。

串池的位置？

jdk1.7是在永久代的常量池中，在jdk1.8以后是在堆中。

字符串的intern操作

调用intern的字符串，若串池中没有该字符串则将该字符串加入串池（调用者本身不加入串池），并将串池中的对象返回。环境是jdk11

String str1 = new String("qw");
String str2 = "qw";
System.out.println(str1 == str2);
str1.intern();
System.out.println(str1 == str2);

将intern后的变量赋给str1：

String str1 = new String("qw");
String str2 = "qw";
System.out.println(str1 == str2);
str1 = str1.intern();
System.out.println(str1 == str2);

串池的性能调优

①：-XX:StringTableSize=1009：改变串池中桶的个数（让每个桶中装的字符串个数适当）；

②：重复的字符串进行入池可以节省大量内存。