重点知识学习(4.2)--[JVM的运行时数据区,本地方法接口]

Posted 2022-02-05 小智RE0

文章目录

• • 一:运行时数据区
  • • 1.1程序计数器（Program Counter Register）
    • 1.2Java本地方法栈(Native Method Stack)
    • 1.3Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）
    • 1.4Java 堆（Java Heap）
    • TLAB(Thread Local Allocation Buffer) 机制
    • 字符串常量池为什么位置改变
    • 1.5方法区(Methed Area)
  • 二:本地方法接口

一:运行时数据区

Java 8 虚拟机规范规定，Java 虚拟机所管理的内存包括5个运行时数据区域;

• 程序计数器（Program Counter Register）:用来运行程序,是线程私有的;
• Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）:用来运行程序,是线程私有的;
• 本地方法栈（Native Method Stack）:用来运行程序,是线程私有的;
• Java 堆（Java Heap）:存放数据 是线程共享的;
• 方法区（Methed Area）:存放数据 是线程共享的;

Java 虚拟机定义了序运行期间会使用到的运行数据区,
其中有一些会随着虚拟机启动而创建,随着虚拟机退出而销毁.
另外一些则是与线程对应的.这些与线程对应的区域会随着线程开始和结束而创建销毁

1.1程序计数器（Program Counter Register）

命名源于
CPU 的寄存器,寄存器存储指令相关的现场信息.CPU 只有把数据装载到寄存器
才能运行;
注意: jvm中的程序计数器不是cpu中的寄存器, 可以理解为计数器.

• 可看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器;
• 程序计数器用来存储下一条指令的地址,也即将要执行的指令代码.由执行引擎读取下一条指令;
• 内存空间很小,运行速度最快;
• 记录当前线程中的方法执行的位置. 以便于cpu在切换执行时,记录程序执行位置;
• 在运行时数据区中唯一 不会出现内存溢出(OutOfMemoryError) 的区域.
• 任何时间一个线程都只有一个方法在执行,即当前方法.程序计数器会存储当前线程正在执行的 Java 方法的 JVM 指令地址;
• 在 JVM 规范中,每个线程都有它自己的程序计数器,是线程私有的,生命周期与线程生命周期保持一致;
• 作为程序控制流的指示器,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来完成

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1.2Java本地方法栈(Native Method Stack)

本地方法栈是为虚拟机调用 Native 方法服务的;线程私有的

• 使用C语言编写实现的;在Native Method Stack中登记 native 方法,在Execution Engine执行时加载本地方法库;
• 固定或者是可动态扩展的内存大小;内存溢出方面也是相同的. ;当前线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量会抛出StackOverflowError栈溢出异常;

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1.3Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

早期也叫 Java 栈

Java 方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时都会创建一个线帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息;
每个方法从调用直至执行完成的过程，都对应着一个线帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

由于跨平台性的设计,基于栈的指令设计优点是跨平台,指令集小,编译器容易实现,缺点是性能下降,实
现同样功能需要更过的指令集

栈是运行时的单位,而堆是存储的单位
栈:加载方法运行
堆:存储对象

• 每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈,其内部保存一个个栈帧,对应着一次方法的调用.
• Java 虚拟机栈是线程私有的; 生命周期和对应的线程一致.

Java 虚拟机栈主要负责 Java 程序的运行,它保存方法的局部变量(8 种基本数据类型,对象的引用地
址),部分结果,并参与方法的调用和返回;

栈帧中包含( 局部变量(基本类型,引用地址) 方法地址,返回地址)

关于栈异常: StackOverflowError:线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度。
注意在递归调用方法次数过多时也会出现;

栈的存储

• 每个线程都有自己的栈,栈中的数据都以栈帧为单位存储.

• 在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧.

• 栈帧是一个内存区块,是一个数据集,维系着方法执行过程中的各种数据信息.

• JVM 直接对 java 栈的操作只有两个,就是对栈帧的压栈和出栈,遵循先进后出的原则.

• 在一条活动的线程中,一个时间点上,只会有一个活动栈.即只有当前在执行的方法的栈帧(栈顶)是有效地,此栈帧被称为当前栈(Current Frame),当前栈帧对应的方法称为当前方法(Current Method),定义这个方法的类称为当前类(Current Class).

• 执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作.

• 如果在该方法中调用了其他方法,对应的新的栈帧就会被创建出来,放在栈的顶端,成为新的当前栈帧.

• 不同线程中所包含的栈帧(方法)是不允许存在相互引用的,即不可能在一个栈中引用另一个线程的栈帧(方法).

• 如果当前方法调用了其他方法,方法返回时,当前栈帧会传回此方法的执行结果(递归原理);给前一个栈帧,接着虚拟机会丢弃当前栈帧,使得前一个栈帧重新成为当前栈帧. Java 方法有两种返回的方式,一种是正常的函数返回,使用 return 指令,另一种是抛出异常.不管哪种方式,都会导致栈帧被弹出.

栈帧的存储
栈帧中包含( 局部变量(基本类型,引用地址) 方法地址,返回地址)
局部变量表(Local Variables)
局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。
操作数栈(Operand Stack)(或表达式栈)
栈可以用来对表达式求值。在一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。
动态链接(Dynamic Linking) (或指向运行时常量池的方法引用)
在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。
方法返回地址(Retuen Address)(或方法正常退出或者异常退出的定义)
当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

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1.4Java 堆（Java Heap）

内存最大，被所有线程共享，在虚拟机启动时候创建，
Java 堆内存唯一的目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存.

• 一个 JVM 实例只存在一个堆内存,堆也是 Java 内存管理的核心区域.
• Java 堆区在 JVM 启动时的时候即被创建,其空间大小也就确定了,是 JVM 管理的最大一块内存空间.
• 堆内存的大小是可以调节. 例如: -Xms:10m(堆起始大小) -Xmx:30m(堆最大内存大小) 一般情况可以将起始值和最大值设置为一致,这样会减少垃圾回收之后堆内存重新分配大小的次数,提高效率.
• 《Java 虚拟机规范》规定,堆可以处于物理上不连续的内存空间中,但逻辑上它应该被视为连续的.
• 所有的线程共享 Java 堆,在这里还可以划分线程私有的缓冲区.
• 《Java 虚拟机规范》中对 Java 堆的描述是:所有的对象实例都应当在运行时分配在堆上.
• 在方法结束后,堆中的对象不会马上被移除,仅仅在垃圾收集的时候才会被移除.
• GC(Garbage Collection,垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域.

Java8 及之后堆内存分为:新生区(新生代)+老年区(老年代)
新生代 : Eden(伊甸园)区 ; Survivor0(幸存者)区; Survivor1(幸存者)区

在堆中为何要分区
将对象根据存活概率进行分类，对存活时间长的对象，放到固定区，从而减少扫
描垃圾时间及 GC 频率。针对分类进行不同的垃圾回收算法，对算法扬长避短。

为新对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务,JVM 的设计者们不仅需要考虑内存如何分配,在哪分配等问题,并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关,所以还需要考虑 GC 执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片.

1. new 的新对象先放到伊甸园区,此区大小有限制.
2. 当伊甸园的空间填满时,程序又需要创建对象时,JVM 的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC),将伊甸园区中的不再被引用的对象进行销毁.再加载新的对象放到伊甸园区.
3. 然后将伊甸园区中的剩余对象移动到幸存者 0 区
4. 如果再次出发垃圾回收,此时上次幸存下来存放到幸存者 0 区的对象,如果没有回收, 就会被放到幸存者 1 区,每次会保证有一个幸存者区是空的.
5. 如果再次经历垃圾回收,此时会重新放回幸存者 0 区,接着再去幸存者 1 区.
6. 什么时候去养老区呢?默认是 15 次,也可以设置参数,最大值为 15
   -XX:MaxTenuringThreshold=<N>
   在对象头中，它是由 4 位数据来对 GC 年龄进行保存的，所以最大值为 1111,所以在对象的 GC 年龄达到 15 时，就会从新生代转到老年代。
7. 在老年区,相对悠闲,当养老区内存不足时,再次触发 Major GC,进行养老区的内存清理.
8. 若养老区执行了 Major GC 之后发现依然无法进行对象保存,就会产生 OOM 异常. Java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space

经典小故事:
我是一个普通的 Java 对象，我出生在 Eden 区，在 Eden 区我还看到和我长的很像的小兄弟，我们在 Eden 区中玩了挺长时间。
有一天，Eden 区中的人实在是太多了，我就被迫去了 Survivor 区的 “From” 区。
自从去了 Survivor 区，我就开始飘了，有时候在 Survivor 的 “From ” 区，有时候在Survivor的 “To” 区，居无定所。
直到我18岁的时候，爸爸说我成人了，该去社会上闯闯了。
于是我就去了老年代那边，年老代里，人很多，并且年龄都挺大的，我在这里也认识了很多人。
在年老代里，我生活了20年(每次GC加一岁)，然后被回收了。

模拟栈溢出;

/**
 * @author by 信计1801 李智青 学号:1809064012
 */
public class TestOOM 
    public static void main(String[] args) 
        List<Integer> list = new ArrayList();
        while(true)
            list.add(new Random().nextInt());
        
    

运行结果

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
	at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:267)
	at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:241)
	at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:233)
	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:464)
	at com.xiaozhi.advanced.day04_jvm.test.TestOOM.main(TestOOM.java:14)

可使用此监测工具查看状态

堆各区域的占比

若整个项目中，生命周期长的对象偏多，那么就可以通过调整老年代的大小，来进行调优

新生代 占整堆的三分之一

新生代中的 伊甸园区 幸存者0 幸存者1 占比是 8:1:1

对象经过15次垃圾回收后,依然存活的.将被移动到老年区

为什么最大是15次 , 因为在对象头中只有4个bit位的空间,只能表示最大值15.

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分代收集思想 Minor GC、Major GC、Full GC
JVM 在进行 GC 时,并非每次都新生区和老年区一起回收的,大部分回收的是新生区.

针对 HotSpot VM 的实现,它里面的 GC 按照回收区域又分为:部分收集,整堆收集.

部分收集:不是完整收集整个 java 堆的垃圾收集.

• 新生区收集(Minor GC/Yong GC):仅对于新生区(Eden,S0,S1)的垃圾收集
• 老年区收集(Major GC / Old GC):仅对于老年区的垃圾收集.

整堆收集(Full GC):收集整个 java 堆和方法区的垃圾收集.

整堆收集的条件

• System.gc();时
• 老年区空间不足
• 方法区空间不足

注意:尽量避免整堆收集

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TLAB(Thread Local Allocation Buffer) 机制

• 堆区是线程共享区域,任何线程都可以访问到堆区中的共享数据.
• 由于对象实例的创建在 JVM 中非常频繁,因此在并发环境下从堆区中划分内存空间是线程不安全的.
• 为避免多个线程操作同一地址,需要使用加锁等机制,进而影响分配速度.

TLAB 线程本地分配缓存区

在多线程情况下,可以在堆空间中通过-XX:UseTLAB 设置. 在堆空间中为线程开辟一块空间,用来存储线程中产生的一些对象, 避免空间竞争,提高分配效率

堆空间的参数设置:https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

字符串常量池为什么位置改变

JDK7 及以后的版本中将字符串常量池放到了堆空间中。

方法区的回收效率很低，在 Full GC 的时候才会执行永久代(方法区)的垃圾回收，而 Full GC 是老年代的空间不足、方法区不足时才会触发。
导致字符串常量池回收效率不高，实际使用时有大量的字符串被创建，回收效率低，导致永久代内存不足。放到堆里，能及时回收内存

1.5方法区(Methed Area)

存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。
方法区是很重要的系统资源,是硬盘和 CPU 的中间桥梁,承载着操作系统和应用程序的实时运行.

线程共享区域

方法区包含了一个特殊的区域“运行时常量池”;

尽管所有的方法区在逻辑上是属于堆的一部分,但对于 HotSpotJVM 而言,方法区还有一个别名叫做 Non-Heap(非堆),目的就是要和堆分开.

• 方法区可以选择固定大小或者可扩展;
• 方法区的大小决定了系统可以保存多少个类,如果系统定义了太多的类,导致方法区溢出, 虚拟机同样会抛出内存溢出的错误

模拟内存溢出

/**
 * @author by 信计1801 李智青 学号:1809064012
 */
public class Demo 
    public static void main(String[] args) 
        String temp = "world";
        for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) 
            String str = temp + temp;
            temp = str;
            //将字符串存储到字符串常量池中
            str.intern();
        
    

• 方法区的大小可以通过 -XX:MetaspaceSize 设置;可以设置的大一些,减少FULL GC的触发

• 方法区在windows中默认大小是21MB;如果到达21MB会触发FULL GC;

• -XX:MaxMetaspaceSize 的值是-1,没有限制

反编译字节码文件，并输出值文本文件中，便于查看。参数 -p 确保能查看private 权限类型的字段或方法

/**
 * @author by 信计1801 李智青 学号:1809064012
 */
public class Test 
    private static int a = 10;

    static 
        System.out.println("静态代码块");
    

    public void test(int w)
        System.out.println(w);
    

    public static void main(String[] args) 
        Test s = new Test();
    

尝试使用命令javap -v -p Test.class > test.txt

即可得到反编译的文件

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方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：运行时常量池中废弃的常量和不再使用的类型。
要判定一个类型是否属于“不再被使用的类:

• 该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类及其任何派生子类的实例;
• 加载该类的类加载器已经被回收，如 OSGi、JSP 的重加载等;
• 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

二:本地方法接口

本地方法

一个 Native Method 就是一个 java 调用非 java 代码的接口，该方法的底层实现不是 Java 语言，
例如 C语言。

• 很多其他的编程语言都有这一机制在定义一个 native method 时，并不提供实现体（有些像定义一个 Java interface），因为其实现体是由非 java 语言在外面实现的。

• 关键字 native 可以与其他所有的 java 标识符连用，但是abstract 除外。

为何需要本地方法

• 有时 java 应用需要与 java 外面的环境交互[例如hashCode方法 ; IO流的read()方法 ; 线程的start()方法 ]，这是本地方法存在的主要原因。
• 本地方法作为中介：它提供非常简洁的接口，使得开发者无需去了解 java 应用之外的繁琐细节。
• Sun 的解释器是用 C 实现的，这使得它能像一些普通的 C 一样与外部交互.

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