JVM(一)——内存结构

一. 前言

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的关系如下图

2、学习 JVM 有什么用 ?

  • 面试
  • 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)定义

Program Counter Register 程序计数器(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

2)作用

java 复制代码
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
  • 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

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?
    不涉及栈内存,栈内存是在方法调用时产生的,栈帧在每次弹出栈后,会被自动回收掉。
  2. 栈内存分配越大越好吗?
    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。
  3. 方法内的局部变量是否线程安全
    • 如果方法内部的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,并逃离了方法的访问,那就要考虑线程安全问题。

2)栈内存溢出

报错: java.lang.StackOverFlowError

  • 栈帧过多会导致栈内存溢出。常发生在递归调用过多,或循环引用问题
  • 栈帧过大会导致栈内存溢出
    -Xss指令可以为虚拟机栈分配内存大小。

3)线程运行诊断

案例:cpu 占用过多

  • 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

java 语言调用其他语言的方法或接口,实现更底层的应用和操作,本地方法栈就是用来存储的。例如 java 中的 native 关键字所引用的就是 c 或 c++ 的方法。

4、堆

1)定义

Heap 堆

  • 对于Java应用程序来说,Java堆(Java Heap)是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所
    有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,Java
    世界里"几乎"所有的对象实例都在这里分配内存。

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

2)堆内存溢出

报错:java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

-Xmx 指令可以指定堆内存大小。

3)堆内存诊断

  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

1)定义

方法区和堆一样,是各个线程共享的内存区域,存储了每个类的结构,例如成员变量、静态变量、方法数据、成员方法、构造器和运行时常量池。

虽然方法区逻辑上是堆的一部分,但是简单的实现可以不同,方法区只是一个规范,例如jdk8之前hotspot虚拟机的"永久代"就是方法区的实现方式之一。jdk8后,使用hotspot虚拟机使用"元空间"的方式实现方法区,也就是在本地内存来实现元空间。

2)组成

3)方法区内存溢出

jdk1.8之前 报错:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

jdk1.8之后 报错:java.lang.OutOfMemoryError: Meta space

使用 -XX:MaxPermSize=8m 指定永久代内存大小

使用 -XX:MaxMetaspaceSize=8m 指定元空间大小

场景:

  • spring
  • mybatis cglib

4)运行时常量池
运行时常量池 (Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字

段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池表 (Constant Pool Table),用于存放编译期生

成的各种字面量与符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

*.class 文件目录下使用javap -v ./HelloWorld.class查看二进制字节码(类基本信息,常量池,类方法定义,包含了虚拟机指令)

  • 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)StringTable

StringTable 底层是 HashTable ,存储的字符串是唯一的,不能扩容。

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

java 复制代码
public static void main(String[] args) {
	String s1 = "a";	// 默认懒加载
	String s2 = "b";
	String s3 = "ab";		// 在 StringTable 字符串常量池中创建
	String s4 = s1 + s2;	// new StringBuilder().append("a").append("b").toString(); => new String("ab");	在堆中创建的对象
	String s5 = "a" + "b";	// javac 在编译期间的优化,结果已经在编译期间确定为 ab,即 s5 == s3 -> true
}

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,如果有则直接返回串池中的对象,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,如果有则直接返回串池中的对象,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1:

java 复制代码
// 在 jdk1.8中
public class Main{
	public static void main(String[] args) {
		// 串池StringTable["a", "b"]
		// 堆 new String("a"), new String("b"), new StringBuilder() * 3, new String("ab")
		String s = new String("a") + new String("b");	//一共创建了 6 个对象
		// TODO: 字符串对象s调用intern()方法, 由于串池中没有"ab",将 s 放入串池中,直接返回串池中的对象
		String s2 = s.intern();		
		String x = "ab";	// 取出串池中的 "ab"
		
		System.out.println( s2 == x);	// true
	    System.out.println( s == x );	// true
	}
}

例2:

java 复制代码
// 在 jdk1.6中
public class Main{
	public static void main(String[] args) {
		// 串池StringTable["a", "b"]
		// 堆 new String("a"), new String("b"), new StringBuilder() * 3, new String("ab")
		String s = new String("a") + new String("b");	//一共创建了 6 个对象
		// TODO: 字符串对象s调用intern()方法, 由于串池中没有"ab", 字符串对象s会被复制一份放到串池中,返回串池中的对象
		String s2 = s.intern();		
		String x = "ab";		// 取出串池中的 "ab"
		
		System.out.println( s2 == x);	// true
	    System.out.println( s == x );	// false
	}
}

7)StringTable的位置

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

8)StringTable垃圾回收

添加虚拟机参数:-Xmx10m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc

java 复制代码
public class Demo1_7 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        try {
            for (int j = 0; j < 10000; j++) { // j=100, j=10000
                String.valueOf(j).intern();
                i++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(i);
        }

    }
}
shell 复制代码
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2048K->496K(2560K)] 2048K->720K(9728K), 0.0015984 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
10000 	# 10000个字符被GC回收了一部分
...
StringTable statistics:
Number of buckets       :     60013 =    480104 bytes, avg   8.000
Number of entries       :      5671 =    136104 bytes, avg  24.000
Number of literals      :      5671 =    346048 bytes, avg  61.021	# 字符串常量池中的字符串
Total footprint         :           =    962256 bytes

9)StringTable性能调优

如果需要添加的字符串常量的数量很多,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。

java 复制代码
-XX:StringTableSize=桶个数(最少设置为 1009 以上)
  • 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

6、直接内存

1)定义

  • 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

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。

在进行JVM调优时,尝试用-XX:+DisableExplicitGC指令,可以防止我们自己手动的进行垃圾回收 (System.gc())。

但是在直接内存中,JVM无法自动对直接内存进行垃圾回收,我们可以通过 Unsafe 中的 freeMemory 方法手动释放内存

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