JVM内存结构

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JVM内存结构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

JVM-内存结构

本文章参考：黑马程序员JVM

整体架构：

1.程序计数器

1-1 定义

Program Counter Register 程序计数器（寄存器）

1-2 作用

用于保存JVM中下一条所要执行的指令的地址。

PC 寄存器用来存储指向下一条指令的地址，即将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。

1-3 特点

  • 是线程私有的
    • CPU会为每个线程分配时间片，当当前线程的时间片使用完以后，CPU就会去执行另一个线程中的代码
    • 程序计数器是每个线程所私有的，当另一个线程的时间片用完，又返回来执行当前线程的代码时，通过程序计数器可以知道应该执行哪一句指令
  • 不会存在内存溢出

2.虚拟机栈

2-1 定义

  • 每个线程运行需要的内存空间，称为虚拟机栈
  • 每个栈由多个栈帧组成，对应着每次方法调用时所占用的内存空间
  • 每个线程只能有一个活动栈帧，对应当前正在执行的那个方法

2-2 演示

public class main1 
    public static void main(String[] args) 
        method1();
    ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/0e3218e6a4284167881513ba6ceae8b9.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s,shadow_50,text_Q1NETiBATEwuTEVCUk9O,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16)


    public static void method1() 
        method2(1, 2);
    

    public static int method2(int a, int b) 
        int c = a + b;
        return c;

2-3 常见问题

  1. 垃圾回收是否涉及栈内存？

    不需要。因为虚拟机栈中是由一个个栈帧组成的，在方法执行完毕后，对应的栈帧就会被弹出栈。所以无需通过垃圾回收机制去回收内存。

  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，并逃离方法的范围，需要考虑线程安全问题

    例如：

    public class main1 
    public static void main(String[] args) 

    
    //下面各个方法会不会造成线程安全问题？

    //不会
    public static void m1() 
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    

    //会，可能会有其他线程使用这个对象
    public static void m2(StringBuilder sb) 
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    

    //会，其他线程可能会拿到这个线程的引用
    public static StringBuilder m3() 
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        return sb;

2-4 栈内存溢出

Java.lang.stackOverflowError 栈内存溢出

导致栈内存溢出的情况：

  • 栈帧过多导致栈内存溢出
  • 栈帧过大导致栈内存溢出

设置虚拟机栈内存大小：

2-5 线程运行诊断

案例：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

  • 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 ，刚才通过top查到的进程号，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，通过查看进程中的线程的nid，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

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。

4.堆

4-1 定义

通过new关键字创建的对象都会使用堆内存

4-2 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

4-3 堆内存溢出

java.lang.OutofMemoryError ：java heap space 堆内存溢出

案例：

/**
 * 演示堆内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
 * -Xmx8m ，最大堆空间的jvm虚拟机参数，默认是4g
 */
public class main1 
    public static void main(String[] args) 
        int i = 0;

        try 
            ArrayList<String> list = new ArrayList<>();// new 一个list 存入堆中
            String a = "hello";
            while (true) 
                list.add(a);// 不断地向list 中添加 a
                a = a + a;
                i++;
            
         catch (Throwable e) // list 使用结束，被jc 垃圾回收
            e.printStackTrace();
            System.out.println(i);

结果：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
	at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:124)
	at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:448)
	at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:136)
	at com.itcast.itheima.xpp.main1.main(main1.java:14)
22

4-4 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

5.方法区

5-1 定义

方法区是各个线程共享的内存区域，它用于**存储已被虚拟机加载的类信息(比如class文件)、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。（**什么是类信息：类版本号、方法、接口。）

5-2 结构

  • 永久代用的堆内存
  • 元空间用的本地内存

5-3 方法区内存溢出

  • 1.8以前会导致永久代内存溢出java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
  • 1.8以后会导致元空间内存溢出java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

案例：

调整虚拟机参数：

/**
 * 演示元空间内存溢出:java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
 * -XX:MaxMetaspaceSize=8m
 */
public class main1 extends ClassLoader //可以用来加载类的二进制字节码

    public static void main(String[] args) 
        int j = 0;
        try 
            main1 test = new main1();
            for (int i = 0; i < 10000; i++,j++) 
                //ClassWriter 作用是生产类的二进制字节码
                ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
                //版本号，public，类名
                cw.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);
                //返回 byte[]
                byte[] code = cw.toByteArray();
                //执行类的加载
                test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length);
            
         finally 
            System.out.println(j);
        
    


Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
	at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:642)
	at com.itcast.itheima.xpp.main1.main(main1.java:26)
4865

Process finished with exit code 1

5-4 通过反编译来查看类的信息

  • 获得对应类的.class文件，javac xxx.java

    • 在JDK对应的bin目录下运行cmd，也可以在IDEA控制台输入

    • 输入 javac 对应类的绝对路径

      F:\\JAVA\\JDK8.0\\bin>javac F:\\Thread_study\\src\\com\\nyima\\JVM\\day01\\Main.java

      输入完成后，对应的目录下就会出现类的.class文件

  • 在控制台输入 javap -v 类的绝对路径

    javap -v F:\\Thread_study\\src\\com\\nyima\\JVM\\day01\\Main.class

  • 然后能在控制台看到反编译以后类的信息了

    • 类的基本信息

    • 常量池

    • 虚拟机中执行编译的方法（框内的是真正编译执行的内容，#号的内容需要在常量池中查找）

5-5 运行时常量池

  • 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

5-6 常量池与串池StringTable的关系

StringTable 特性

  • 常量池中的字符串仅是符号，只有在被用到时才会转化为对象
  • 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
  • 字符串常量拼接的原理是编译器优化
  • 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中
    • 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

栗子1：

public class StringTableStudy 
	public static void main(String[] args) 
		String a = "a"; 
		String b = "b";
		String ab = "ab";

常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中，但这是a b ab 仅是常量池中的符号，还没有成为java字符串

0: ldc           #2                  // String a
2: astore_1
3: ldc           #3                  // String b
5: astore_2
6: ldc           #4                  // String ab
8: astore_3
9: return

当执行到 ldc #2 时，会把符号 a 变为 “a” 字符串对象，并放入串池中（hashtable结构 不可扩容）

当执行到 ldc #3 时，会把符号 b 变为 “b” 字符串对象，并放入串池中

当执行到 ldc #4 时，会把符号 ab 变为 “ab” 字符串对象，并放入串池中

最终StringTable [“a”, “b”, “ab”]

注意：字符串对象的创建都是懒惰的，只有当运行到那一行字符串且在串池中不存在的时候（如 ldc #2）时，该字符串才会被创建并放入串池中。

栗子2：使用拼接字符串变量对象创建字符串的过程

public class HelloWorld 
    public static void main(String[] args) 
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        String s4=s1+s2;//new StringBuilder().append("a").append("2").toString()  new String("ab")
        System.out.println(s3==s4);//false
//结果为false,因为s3是存在于串池之中，s4是由StringBuffer的toString方法所返回的一个对象，存在于堆内存之中

反编译后的结果

	 Code:
      stack=2, locals=5, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String a
         2: astore_1
         3: ldc           #3                  // String b
         5: astore_2
         6: ldc           #4                  // String ab
         8: astore_3
         9: new           #5                  // class java/lang/StringBuilder
        12: dup
        13: invokespecial #6                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        20: aload_2
        21: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        24: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/Str
ing;
        27: astore        4
        29: return
  • 通过拼接的方式来创建字符串的过程是：StringBuilder().append(“a”).append(“b”).toString()
  • 最后的toString方法的返回值是一个新的字符串，但字符串的值和拼接的字符串一致，但是两个不同的字符串，一个存在于串池之中，一个存在于堆内存之中

栗子3：使用拼接字符串常量对象的方法创建字符串

public class HelloWorld 
    public static void main(String[] args) 
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
        String s4=s1+s2;//new StringBuilder().a|ppend("a").append("2").toString()  new String("ab")
        String s5="a"+"b";
        System.out.println(s5==s3);//true

反编译后的结果

 	  Code:
      stack=2, locals=6, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String a
         2: astore_1
         3: ldc           #3                  // String b
         5: astore_2
         6: ldc           #4                  // String ab
         8: astore_3
         9: new           #5                  // class java/lang/StringBuilder
        12: dup
        13: invokespecial #6                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        20: aload_2
        21: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        24: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/Str
ing;
        27: astore        4
        //ab3初始化时直接从串池中获取字符串
        29: ldc           #4                  // String ab
        31: astore        5
        33: return
  • 使用拼接字符串常量的方法来创建新的字符串时，因为内容是常量，javac在编译期会进行优化，结果已在编译期确定为ab，而创建ab的时候已经在串池中放入了“ab”，所以s5直接从串池中获取值，所以进行的操作和 s3= “ab” 一致。
  • 使用拼接字符串变量的方法来创建新的字符串时，因为内容是变量，只能在运行期确定它的值，所以需要使用StringBuilder来创建

intern方法 1.8：

调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中

  • 如果串池中没有该字符串对象，则放入成功
  • 如果有该字符串对象，则放入失败

无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象

例子：

public class HelloWorld 

    public static void main(String[] args) 
        String x = "ab";
        String s = new String("a") + new String("b");

        String s2 = s.intern();//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，这两种情况都会把串池中的对象返回
        System.out.println(s2 == x);//true
        System.out.println(s == x);//false

intern方法 1.6：

调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中

  • 如果串池中没有该字符串对象，会将该字符串对象复制一份，再放入到串池中
  • 如果有该字符串对象，则放入失败

无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象

面试题（1.8）：

package com.itcast.itheima.xpp;

public class main 
    public static void main(String[] args) 

        String s1="a";
        String s2="b";
        String s3="a"+"b";
        String s4=s1+s2;
        String s5="ab";
        String s6=s4.intern();
        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");
        String x1="cd";
        x2.intern();
        System.out.println(x1==x2);//false


        String x4=new String("e")+new String("f");
        x4.intern();
        String x3="ef";
        System.out.println(x3==x4);//true

5-7 StringTable 位置

  • JDK1.6 时，StringTable是属于常量池的一部分。
  • JDK1.8 以后，StringTable是放在堆中的。

5-8 StringTable 垃圾回收

StringTable在内存紧张时，会发生垃圾回收

5-9 StringTable 性能调优

  • 因为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

    -XX:StringTableSize=xxxx
//最低为1009

  • 考虑是否将字符串对象入池

    可以通过intern方法减少重复入池，保证相同的地址在StringTable中只存储一份

6.直接内存

6-1 定义

  • 属于操作系统，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

6-2 分配和回收原理

文件读写过程：

使用了DirectBuffer：

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

直接内存也会导致内存溢出

public class Main 
    static int _100MB = 1024 * 1024 * 100;

    以上是关于JVM内存结构的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 

 JVM-jvm的内存结构和内存模型


 JVM运行时内存区域结构


 Java--一文搞懂JVM内存结构


 Java千百问_07JVM架构（003）_内存分配有哪些策略


 JVM，你都会了吗


 怎样查看JAVA内存的大小？