JVM学习之 内存结构

2022-08-06

一、引言

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
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2.学习JVM有什么用

  • 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

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4.学习路线

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二、内存结构

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1. 程序计数器

1.1 定义

Program Counter Register 程序计数器(寄存器)
在物理上:位于寄存器
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

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
  • 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

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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
  • 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?
    栈内存并不涉及垃圾回收,栈内存的产生就是方法一次一次调用产生的栈帧内存,而栈帧内存在每次方法被调用后都会被弹出栈,自动就被回收掉,不需要垃圾回收。来管理

  2. 栈内存分配越大越好吗?
    不是,在线程不多的情况下,栈内存分配大在递归时能提高运行速度,但他会影响线程的数目,从而影响到整个系统的运行速度

  3. 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,

    如果是共享的需要考虑线程安全,如果是私有的不用考虑线程安全

2.2栈内存溢出

  • 栈帧过多导致栈内存溢出 ---->一般递归的时候容易出现
  • 栈帧内存过大导致栈内存溢出 --->不易出现
  • StackOverflowError 栈内存溢出异常
  • @JsonIgnore

2.3线程运行诊断

案例1:cpu占用过多
定位

  • 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

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 有时候没法直接和操作系统底层交互,所以需要用到本地方法栈,服务于带 native 关键字的方法。
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为本地的方法提供一个运行的空间

4. 堆

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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

  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
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5. 方法区

5.1方法区

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Java 虚拟机有一个在所有 Java 虚拟机线程之间共享的方法区。方法区类似于传统语言的编译代码的存储区,或者类似于操作系统进程中的“文本”段。它存储每个类的结构,例如运行时常量池、字段和方法数据,以及方法和构造函数的代码,包括类和实例初始化以及接口初始化中使用 的特殊方法。

方法区是在虚拟机启动时创建的。尽管方法区在逻辑上是堆的一部分,但简单的实现可能会选择不进行垃圾收集或压缩它。本规范不要求方法区域的位置或用于管理已编译代码的策略。方法区域可以是固定大小,也可以根据计算需要扩大,如果不需要更大的方法区域,可以缩小。方法区的内存不需要是连续的。

Java 虚拟机实现可以为程序员或用户提供对方法区域初始大小的控制,以及在方法区域大小可变的情况下,对最大和最小方法区域大小的控制。

以下异常情况与方法区相关:

如果方法区域中的内存无法满足分配请求,Java 虚拟机将抛出一个OutOfMemoryError.
JVM规范-方法区定义

5.2组成

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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

// 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 Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

然后使用 javap -v Test.class 命令反编译查看结果:
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每条指令都会对应常量池表中一个地址,常量池表中的地址可能对应着一个类名、方法名、参数类型等信息。
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  • 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

面试题:

        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "a" + "b"; // ab
        String s4 = s1 + s2;   // new String("ab")
        String s5 = "ab";
        String s6 = s4.intern();

// 问
        System.out.println(s3 == s4); // false
        System.out.println(s3 == s5); // true
        System.out.println(s3 == s6); // true

        String x2 = new String("c") + new String("d"); // new String("cd")
        x2.intern();
        String x1 = "cd";

// 问,如果调换了【最后两行代码】的位置呢,如果是jdk1.6呢
        System.out.println(x1 == x2);
                // jdk1.6:
        // String x1 = "cd";            x2.intern();
        // x2.intern();  false          String x1 = "cd"; ture

        // jdk1.8:
        // String x1 = "cd";            x2.intern();
        // x2.intern();  false          String x1 = "cd"; ture

练习:

// StringTable [ "a", "b" ,"ab" ]  hashtable 结构,不能扩容
public class Demo1_22 {
    // 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
    // ldc #2 会把 a 符号变为 "a" 字符串对象
    // ldc #3 会把 b 符号变为 "b" 字符串对象
    // ldc #4 会把 ab 符号变为 "ab" 字符串对象

    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "a"; // 懒惰的
        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 在编译期间的优化,结果已经在编译期确定为ab
        System.out.println(s3 == s4);//s3是在串池中的,而s4则是在堆中,所有不相等

        System.out.println(s3 == s5);// true
    }
}

使用javap -v Demo1_22.class命令

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5.6 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,如果有则并不会放入,如果没有则放入串池, 会把串 池中的对象的引用返回
    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

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

-Xmx10m 指定堆内存大小
-XX:+PrintStringTableStatistics 打印字符串常量池信息
-XX:+PrintGCDetails
-verbose:gc 打印 gc 的次数,耗费时间等信息

演示StingTable垃圾回收:

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        try {
            for (int j = 0; j < 100000; j++) { // j=100, j=10000
                String.valueOf(j).intern();
                i++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(i);
        }

    }

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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

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

文件读写过程(IO):
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因为 java 不能直接操作文件管理,需要切换到内核态,使用本地方法进行操作,然后读取磁盘文件,会在系统内存中创建一个缓冲区,将数据读到系统缓冲区, 然后在将系统缓冲区数据,复制到 java 堆内存中。缺点是数据存储了两份,在系统内存中有一份,java 堆中有一份,造成了不必要的复制。

使用了 DirectBuffer 文件读取流程:
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直接内存是操作系统和 Java 代码都可以访问的一块区域,无需将代码从系统内存复制到 Java 堆内存,从而提高了效率。

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,一但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方法 来释放直接内存。