《Java 虚拟机》 专栏索引 👉基本概念与内存结构 👉垃圾回收 👉类文件结构与字节码技术 👉类加载阶段 👉运行期优化 👉 happens-before 与锁优化
@[TOC](《Java 虚拟机》 基本概念与内存结构)
1. JVM 基本概念
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）。 优点：
- 一次编写，到处运行
- 自动管理内存，具有垃圾回收的功能
- 数组下标越界检查
- 多态
JVM、JRE、JDK、JavaSE 和 JavaEE 之间比较： 
2. JVM 内存结构
整体架构 
2.1 程序计数器
定义： 程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。 作用：保存 JVM 中下一条要执行字节码的指令的地址，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器完成。
特点：
- 线程私有的，不会被其他线程共享
- 唯一一个不会存在内存溢出的区域
如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是 Native 方法，这个计数器值为空（Undefined）。《深入理解 Java 虚拟机》
解释：每个 Java 线程都会直接映射到一个操作系统线程上执行，而 Native 方法是由原生平台直接执行，不需要理会 JVM 平台层面的程序计数器。
2.2 虚拟机栈
Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）属于线程私有区域。 定义：
- 描述的是 Java 方法执行的内存模型，每个方法对应一个栈帧。
- 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈，生命周期与线程相同。
- 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，每个栈帧对应着每个方法执行时所占用的内存空间，用于存储 局部变量表（存放各种基本类型以及引用类型的变量）、操作数栈 、动态链接和方法出口等信息。每个方法从调用直到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
- 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前线程正在执行的那个方法。
java
/**
* 演示栈帧
*/
public class Demo1_1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
method1();
}
private static void method1() {
method2(1, 2);
}
private static int method2(int a, int b) {
int c = a + b;
return c;
}
}
从上图中可以看到，每个栈帧在栈中的位置符合栈先进先出的特性。
问题辨析：
- 垃圾回收是否涉及栈内存？ 答：垃圾回收不涉及栈内存。栈内存就是一次次的方法调用所产生的栈帧内存，而栈帧内存在每一次方法调用结束后都会被弹出栈，也就是自动地被回收掉，所以根本不需要垃圾回收管理栈内存。
- 栈内存的分配越大越好嘛？ 答：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。
- 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。
java
/**
- 局部变量的线程安全问题
*/
public class Demo1_17 {
public static void main(String[] args) {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append(4);
sb.append(5);
sb.append(6);
new Thread(()->{
m2(sb);
}).start();
}
// 线程安全
public static void m1() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append(1);
sb.append(2);
sb.append(3);
System.out.println(sb.toString());
}
// 线程不安全,参数是从外部传递进来，说明该对象也能作为其他方法的参数，进行操作
public static void m2(StringBuilder sb) {
sb.append(1);
sb.append(2);
sb.append(3);
System.out.println(sb.toString());
}
// 线程不安全，有返回值，其他地方可能会调用返回的对象
public static StringBuilder m3() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append(1);
sb.append(2);
sb.append(3);
return sb;
}
}这个区域规定了两种异常情况：
- 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverFlowError 异常。也就是栈帧过多导致栈内存溢出，例如无限递归。
java
/**
- 演示栈内存溢出
- -Xss 参数设置栈内存容量
- 设置: -Xss256k
- 默认为1024k
*/
public class Demo1_2 {
private static int count;
public static void main(String[] args) {
try {
method();
} catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
System.out.println(count);
}
}
public static void method() {
count++;
method();
}
}经过 3301 次递归调用后，栈内存溢出。
- 虚拟机栈在进行动态扩展时，如果无法申请到足够的内存，就会抛出 OutOfMemoryError 异常。
线程运行诊断： CPU 占用过高：Linux 环境下运行某些程序的时候，可能导致 CPU 的占用过高，这时需要定位占用 CPU 过高的线程：
- top 命令，查看是哪个进程占用 CPU 过高。
- ps H -eo pid, tid（线程id）, %cpu | grep 刚才通过top查到的进程号 通过ps命令进一步查看是哪个线程占用 CPU 过高。
- jstack 进程 id 通过查看进程中的线程的 tid，刚才通过 ps 命令看到的 tid 来对比定位，注意 jstack 查找出的线程 id 是 16 进制的，需要转换。
2.2.1 局部变量表
- 定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量 ，这些数据类型包括八种基本数据类型、对象引用和
returnAddress地址（指向了一条字节码指令的地址） - 是线程的私有数据，不存在数据安全问题
- 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配 ，并保存在方法的 Code 属性的
maximum local varibales数据项中，在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的 - 局部变量表中最基本的单位是 Slot（变量槽），32 位以内的类型只占用一个 Slot(包括 returnAddress 类型)，64 位的类型(long 和 double) 占用两个 Slot
变量的分类：
- 成员变量 ：在使用前都经历过默认初始化赋值：（1）类变量 ： 连接的准备阶段：给类变量默认赋值 --->初始化阶段：给类变量显式赋值即静态代码块赋值（2）实例变量：随着对象的创建，会在堆空间中分配实例变量空间，并进行默认赋值
- 局部变量：在使用前必须要进行显式赋值！否则，编译不通过
注意：
- 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是前面提到的局部变量表，在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递
- 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收器根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收
2.2.2 操作数栈
- 主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间
- 在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈和出栈
- 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问，而是只能通过标准的入栈和出栈来完成一次数据访问
2.2.3 动态链接
2.3 本地方法栈
定义：本地方法栈和虚拟机栈非常类似，最大的区别就是虚拟机栈是为虚拟机执行 Java 方法（即字节码）服务，而本地方法栈是为虚拟机用到的 Native 方法服务。《深入理解 Java 虚拟机》
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 有时候无法直接和操作系统底层交互，所以需要用到本地方法。
两种异常情况：
- StackOverflowError
- OutOfMemoryError
异常测试参考虚拟机栈。
2.4 Java 堆
定义 ：Java 堆是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块区域，在虚拟机启动时创建，几乎所有的对象实例都在 Java 堆分配内存，是所有线程共享的一块区域。此外，Java 堆也是垃圾收集器管理的主要区域，通常也被称为 "GC 堆（Garbage Collected Heap）"
特点：
- 存放对象实例，由所有线程共享，堆内存中的对象都需要考虑线程安全问题。
- 有垃圾回收机制。
Java 堆内存溢出 ：java.lang.OutofMemoryError ：java heap space. Java 堆内存溢出
java
/**
- 演示堆内存溢出
- -Xms 参数表示堆的最小值 -Xmx 参数表示堆的最大值；设置成一样可以避免自动扩展
- VM Args：-Xms20m -Xmx20m
*/
public class Demo1_5 {
public static void main(String[] args) {
int i = 0;
try {
List<String> list = new ArrayList<>();
String a = "hello";
while (true) {
list.add(a);
a = a + a;
i++;
}
} catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
System.out.println(i);
}
}
}
堆内存诊断
- jps 工具
- 在终端输入 jps 命令
- 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
- 在终端输入 jconsole 命令
- 图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测
- jvisualvm 工具
- 在终端输入命令 jvisualvm
2.5 方法区
定义： 方法区（Method Area）与 Java 堆一样，被 Java 虚拟机中所有线程共享。它类似于存储区域，用来存储已经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等数据。
内存溢出： 1、jdk 1.8 以前会导致永久代溢出
java
* 演示永久代内存溢出 java.lang.OutMemoryError: PerGen space
* -XX:MaxPermSize = 8m2、jdk 1.8 以后会导致元空间溢出
java
/**
* 演示元空间内存溢出
* -XX:MaxMetaspaceSize=8m
*/
public class Demo1_8 extends ClassLoader{ // 可以加载类的二进制字节码
public static void main(String[] args) {
int j = 0;
try {
Demo1_8 test= new Demo1_8();
for (int i = 0; i < 10000; i++, j++) {
// ClassWriter 作用是生成类的二进制字节码
ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
// 版本号, public, 类名, 包名, 父类, 接口
cw.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);
// 返回 byte[]
byte[] code = cw.toByteArray();
// 执行了类的加载
test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length);
}
} finally {
System.out.println(j);
}
}
}实际发生的场景：
- spring
- mybatis
运行时常量池
在介绍运行时常量池之前，先来了解一下常量池。
常量池（Constant Pool Table）：
二进制字节码组成：
- 类基本信息
- 常量池信息
- 类方法定义
- 虚拟机指令
在终端命令行中输入二进制字节码查看的命令：
Bash
javap -v *.class
java
// 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 HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("hello world");
}
}类的基本信息
Bash
Classfile /D:/java学习/深入理解java虚拟机/out/production/深入理解java虚拟机/com/xxx/t1/HelloWorld.class
Last modified 2022-3-29; size 555 bytes
MD5 checksum 66459c9d86936e88b74e59657176cfcc
Compiled from "HelloWorld.java"
public class com.czh.t1.HelloWorld
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER常量池信息：
Bash
Constant pool:
#1 = Methodref #6.#20 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #21.#22 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#3 = String #23 // hello world
#4 = Methodref #24.#25 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
#5 = Class #26 // com/xxx/t1/HelloWorld
#6 = Class #27 // java/lang/Object
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Utf8 LineNumberTable
#11 = Utf8 LocalVariableTable
#12 = Utf8 this
#13 = Utf8 Lcom/xxx/t1/HelloWorld;
#14 = Utf8 main
#15 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#16 = Utf8 args
#17 = Utf8 [Ljava/lang/String;
#18 = Utf8 SourceFile
#19 = Utf8 HelloWorld.java
#20 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
#21 = Class #28 // java/lang/System
#22 = NameAndType #29:#30 // out:Ljava/io/PrintStream;
#23 = Utf8 hello world
#24 = Class #31 // java/io/PrintStream
#25 = NameAndType #32:#33 // println:(Ljava/lang/String;)V
#26 = Utf8 com/xxx/t1/HelloWorld
#27 = Utf8 java/lang/Object
#28 = Utf8 java/lang/System
#29 = Utf8 out
#30 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#31 = Utf8 java/io/PrintStream
#32 = Utf8 println
#33 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V运行时常量池
- 常量池是方法区的一部分，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、字面量和符号引用等信息。
- 运行时常量池也是方法区的一部分，常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载后，它的常量池信息就会被放入方法区的运行时常量池中。
注意 ：运行时常量池 相对于 Class 文件常量池的一个重要特征是具备动态性 ，Java 语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，运行期间也可能将新的常量放入池中，例如可以使用 String 类的 intern() 方法。
String.intern() 是一个 Native 方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含一个等于此 String 对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的 String 对象 ；否则，将此 String 对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此 String 对象的引用。《深入理解 Java 虚拟机》
异常情况：
- 当常量池无法再申请内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。
串池 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），属于编译器优化
- 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，放入失败；如果没有则会放入串池，放入成功，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，放入失败；如果没有把此对象复制一份，放入串池，放入成功，会把串池中的对象返回。
- 注意：在 1.8 中，如果调用 intern() 方法成功，堆内存与串池中的字符串对象是同一个对象；如果失败，则不是同一个对象。而在 1.6 中，无论调用 intern() 方法成功与否，串池中的字符串对象和堆内存中的字符串对象都不是同一个对象。
- 此外，无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象。
java
public class Demo1_23 {
// ["a", "b"]
public static void main(String[] args) {
String x = "ab";
String s = new String("a") + new String("b"); // new String("ab")
// 堆 new String("a") new String("b") new String("ab")
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
System.out.println(s2 == "ab"); // true
System.out.println(s2 == x); // true
System.out.println(s == x); // false
}
}StringTable 位置
- jdk 1.6 在永久代中
- jdk 1.8 在堆内存中
StringTable 垃圾回收：StringTable 在内存紧张时，会发生垃圾回收。
StringTable 调优
- 调整 -XX:StringTableSize = 桶个数。由于 StringTable 是由 HashTable 实现的，所以可以适当增加 HashTable 桶的个数，来减少字符串放入串池所需要的时间。
- 考虑是否需要将字符串对象入池。可以通过intern方法减少重复入池。
2.6 直接内存
Direct Memory 直接内存：
- 属于操作系统，在 JDK 1.4 中新加入了 NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的 I/O 方式
- 分配回收成本较高，但读写性高
- 不受 JVM 内存回收管理
文件读写流程： 
使用了 DirectBuffer 
使用 Native 函数库可以直接分配堆外内存，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，在一些场合中能够显著提高性能，避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。
直接内存溢出演示
java
/**
* 演示直接内存溢出
* VM Args: -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
*/
public class Demo1_10 {
static int _100Mb = 1024 * 1024 * 100;
public static void main(String[] args) {
List<ByteBuffer> list = new ArrayList<>();
int i = 0;
try {
while (true) {
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_100Mb);
list.add(byteBuffer);
i++;
}
} finally {
System.out.println(i);
}
// 方法区是jvm规范，jdk6 中对方法区的实现称为永久代，jdk8 对方法区的实现称为元空间
}
}
直接内存释放原理 直接内存的回收不是通过 JVM 的垃圾回收来释放的，而是通过 unsafe.freeMemory 来手动释放。
java
/**
* 演示自动分配和回收直接内存
*/
public class Demo1_26 {
static int _1GB = 1024 * 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) throws IOException {
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1GB);
System.out.println("分配完毕......");
System.in.read();
System.out.println("开始释放......");
byteBuffer = null;
System.gc();
System.in.read();
}
}allocateDirect 方法实现：
java
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}DirectByteBuffer 类：
java
DirectByteBuffer(int cap) {
super(-1, 0, cap, cap);
boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
int ps = Bits.pageSize();
long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
Bits.reserveMemory(size, cap);
long base = 0;
try {
base = unsafe.allocateMemory(size); //主动分配直接内存
} catch (OutOfMemoryError x) {
Bits.unreserveMemory(size, cap);
throw x;
}
unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
if (pa && (base % ps != 0)) {
// Round up to page boundary
address = base + ps - (base & (ps - 1));
} else {
address = base;
}
cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap)); //通过虚引用，来实现直接内存的释放，this为虚引用的实际对象
att = null;
}这里调用了一个 Cleaner 的 create 方法，且后台线程还会对虚引用的对象监测，如果虚引用的实际对象（这里是 DirectByteBuffer）被回收以后，就会调用 Cleaner 的 clean 方法，来清除直接内存中占用的内存。
java
public void clean() {
if (remove(this)) {
try {
this.thunk.run(); //调用run方法
} catch (final Throwable var2) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
if (System.err != null) {
(new Error("Cleaner terminated abnormally", var2)).printStackTrace();
}
System.exit(1);
return null;
}
});
}对应对象的 run 方法：
java
public void run() {
if (address == 0) {
// Paranoia
return;
}
unsafe.freeMemory(address); //释放直接内存中占用的内存
address = 0;
Bits.unreserveMemory(size, capacity);
}
java
/**
* 演示主动分配和主动回收直接内存
*/
public class Demo1_27 {
static int _1GB = 1024 * 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) throws IOException {
Unsafe unsafe = getUnsafe();
// 分配内存，base表示分配的内存的地址
long base = unsafe.allocateMemory(_1GB);
unsafe.setMemory(base, _1GB, (byte) 0);
System.in.read();
// 释放内存
unsafe.freeMemory(base);
System.in.read();
}
public static Unsafe getUnsafe() {
try {
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);
return unsafe;
} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e){
throw new RuntimeException();
}
}
}- 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。
- BuyteBuffer 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。