Java虚拟机调优的基本概念

Posted 2021-04-30 架构师日刊

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大家好，我是你们的导师，我每天都会在这里给大家分享一些干货内容（当然了，周末也要允许老师休息一下哈）。上次老师跟大家分享了下从ArrayList说起复制与参数传递机制的相关知识，今天跟大家分享Java虚拟机调优的基本概念的知识。

1 运行数据区

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首先我简单来画一张 JVM的结构原理图，如下。

我们重点关注 JVM在运行时的数据区，你可以看到在程序运行时，大致有5个部分。

1.方法区

不止是存“方法”，而是存储整个 class文件的信息，JVM运行时，类加载器子系统将会提取 class文件里面的类信息，并将其存放在方法区中。例如类的名称、类的类型（枚举、类、接口）、字段、方法等等。

2.堆（ Heap）

熟习 c/c++编程的同学们应该相当熟习 Heap了，而对于Java而言，每个应用都唯一对应一个JVM实例，而每一个JVM实例唯一对应一个堆。堆主要包括关键字 new的对象实例、 this指针，或者者数组都放在堆中，并由应用所有的线程共享。堆由JVM的自动内存管理机制所管理，名为垃圾回收—— GC（garbage collection）。

3.栈（ Stack）

操作系统内核为某个进程或者者线程建立的存储区域,它保存着一个线程中的方法的调用状态，它具备先进后出的特性。在栈中的数据大小与生命周期严格来说都是确定的，例如在一个函数中公告的int变量便是存储在 stack中，它的大小是固定的，在函数退出后它的生命周期也从此结束。在栈中，每一个方法对应一个栈帧，JVM会对Java栈执行两种操作：压栈和出栈。这两种操作在执行时都是以栈帧为单位的。还有少量即时编译器编译后的代码等数据。

4.PC寄存器

5.本地方法栈

用来调用其余语言的本地方法，例如 C/C++写的本地代码， 这些方法在本地方法栈中执行，而不会在Java栈中执行。

2 数据类型

Java虚拟机中，数据类型可以分为两类：基本类型和引用类型。

基本类型的变量保存原始值，即：他代表的值就是数值本身；

基本类型包括：byte,short,int,long,char,float,double,Boolean,returnAddress。

引用类型包括：类类型，接口类型和数组。

3 堆与栈

堆和栈是程序运行的关键，很有必要把他们的关系说清楚。

栈是运行时的单位，而堆是存储的单位。

栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据；堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。

在Java中一个线程就会相应有一个线程栈与之对应，这点很容易理解，因为不同的线程执行逻辑有所不同，因此需要一个独立的线程栈。而堆则是所有线程共享的。

栈因为是运行单位，因此里面存储的信息都是跟当前线程（或程序）相关信息的。包括局部变量、程序运行状态、方法返回值等等；而堆只负责存储对象信息。

为什么要把堆和栈区分出来呢？栈中不是也可以存储数据吗？

第一，从软件设计的角度看，栈代表了处理逻辑，而堆代表了数据。这样分开，使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。

第二，堆与栈的分离，使得堆中的内容可以被多个栈共享（也可以理解为多个线程访问同一个对象）。这种共享的收益是很多的。一方面这种共享提供了一种有效的数据交互方式(如：共享内存)，另一方面，堆中的共享常量和缓存可以被所有栈访问，节省了空间。

第四，面向对象就是堆和栈的完美结合。其实，面向对象方式的程序与以前结构化的程序在执行上没有任何区别。但是，面向对象的引入，使得对待问题的思考方式发生了改变，而更接近于自然方式的思考。当我们把对象拆开，你会发现，对象的属性其实就是数据，存放在堆中；而对象的行为（方法），就是运行逻辑，放在栈中。我们在编写对象的时候，其实即编写了数据结构，也编写的处理数据的逻辑。不得不承认，面向对象的设计，确实很美。

在 Java 中，main 函数就是栈的起始点，也是程序的起始点。

程序要运行总是有一个起点的。同 C 语言一样，java 中的 main 就是那个起点。无论什么 java 程序，找到 main 就找到了程序执行的入口。

4 Java对象的大小

基本数据的类型的大小是固定的，这里就不多说了。对于非基本类型的Java对象，其大小就值得商榷。

在Java中，一个空Object对象的大小是8byte，这个大小只是保存堆中一个没有任何属性的对象的大小。看下面语句：

Object ob = new Object();

这样在程序中完成了一个Java对象的生命，但是它所占的空间为：4byte+8byte。4byte是上面部分所说的Java栈中保存引用的所需要的空间。而那8byte则是Java堆中对象的信息。

因为所有的Java非基本类型的对象都需要默认继承Object对象，因此不论什么样的Java对象，其大小都必须是大于8byte。

有了Object对象的大小，我们就可以计算其他对象的大小了。

Class NewObject { int count; boolean flag; Object ob;}

其大小为：空对象大小(8byte)+int大小(4byte)+Boolean大小(1byte)+空Object引用的大小(4byte)=17byte。但是因为Java在对对象内存分配时都是以8的整数倍来分，因此大于17byte的最接近8的整数倍的是24，因此此对象的大小为24byte。

这里需要注意一下基本类型的包装类型的大小。因为这种包装类型已经成为对象了，因此需要把他们作为对象来看待。包装类型的大小至少是12byte（声明一个空Object至少需要的空间），而且12byte没有包含任何有效信息，同时，因为Java对象大小是8的整数倍，因此一个基本类型包装类的大小至少是16byte。

这个内存占用是很恐怖的，它是使用基本类型的N倍（N>2），有些类型的内存占用更是夸张（随便想下就知道了）。因此，可能的话应尽量少使用包装类。在JDK5.0以后，因为加入了自动类型装换，因此，Java虚拟机会在存储方面进行相应的优化。

5 引用类型

对象引用类型分为强引用、软引用、弱引用和虚引用。

强引用：就是我们一般声明对象是时虚拟机生成的引用，强引用环境下，垃圾回收时需要严格判断当前对象是否被强引用，如果被强引用，则不会被垃圾回收

软引用：软引用一般被做为缓存来使用。与强引用的区别是，软引用在垃圾回收时，虚拟机会根据当前系统的剩余内存来决定是否对软引用进行回收。

如果剩余内存比较紧张，则虚拟机会回收软引用所引用的空间；如果剩余内存相对富裕，则不会进行回收。

换句话说，虚拟机在发生OutOfMemory时，肯定是没有软引用存在的。

弱引用：弱引用与软引用类似，都是作为缓存来使用。但与软引用不同，弱引用在进行垃圾回收时，是一定会被回收掉的，因此其生命周期只存在于一个垃圾回收周期内。

强引用不用说，我们系统一般在使用时都是用的强引用。而“软引用”和“弱引用”比较少见。他们一般被作为缓存使用，而且一般是在内存大小比较受限的情况下做为缓存。

因为如果内存足够大的话，可以直接使用强引用作为缓存即可，同时可控性更高。因而，他们常见的是被使用在桌面应用系统的缓存。

6 Java中参数传递时传值还是传引用？

要说明这个问题，先要明确两点：

1. 不要试图与C进行类比，Java中没有指针的概念

2. 程序运行永远都是在栈中进行的，因而参数传递时，只存在传递基本类型和对象引用的问题。不会直接传对象本身。

明确以上两点后。Java在方法调用传递参数时，因为没有指针，所以它都是进行传值调用（这点可以参考C的传值调用）。因此，很多书里面都说Java是进行传值调用，这点没有问题，而且也简化的C中复杂性。

但是传引用的错觉是如何造成的呢？在运行栈中，基本类型和引用的处理是一样的，都是传值，所以，如果是传引用的方法调用，也同时可以理解为“传引用值”的传值调用，即引用的处理跟基本类型是完全一样的。但是当进入被调用方法时，被传递的这个引用的值，被程序解释（或者查找）到堆中的对象，这个时候才对应到真正的对象。如果此时进行修改，修改的是引用对应的对象，而不是引用本身，即：修改的是堆中的数据。所以这个修改是可以保持的了。

public class TestValTran {
 public static void main(String[] args) { TestValTran testValTran = new TestValTran();
 int i = 1; int j = 2; testValTran.swap1(i, j); System.out.println("i = " + i + ", j = " + j);
 User user = new User(1, 2); testValTran.swap2(user); System.out.println("user.i = " + user.getI() + ", user.j = " + user.getJ());
 User user1 = new User(1, 2); testValTran.swap3(user1); System.out.println("user1.i = " + user1.getI() + ", user1.j = " + user1.getJ()); }
 /*** * 基本的数据类型，对应每个方法所对应的栈幁都有自己的局部变量表。也就是会自己创建一个基本数据类型的对象，不会对真实的对象产生影响 *  * @param a * @param b */ public void swap1(int a, int b) { int temp = b; b = a; a = temp; }
 /** * 这种方式对user不会发生变化，只是把局部变量user先传递为外部user的引用，然后又重新重新赋值为temp的引用。没有对外部user引用的真实对象进行操作。所以不会生效 *  * @param user */ public void swap2(User user) { User temp = new User(2, 1); user = temp; }
 /** * 这种传递了对象的引用之后，又获取了引用的对象，进行了修改，所以能生效 *  * @param user */ public void swap3(User user) { int temp = user.getJ(); user.setJ(user.getI()); user.setI(temp); }}

对象，从某种意义上说，是由基本类型组成的。可以把一个对象看作为一棵树，对象的属性如果还是对象，则还是一颗树（即非叶子节点），基本类型则为树的叶子节点。程序参数传递时，被传递的值本身都是不能进行修改的，但是，如果这个值是一个非叶子节点（即一个对象引用），则可以修改这个节点下面的所有内容。

堆和栈中，栈是程序运行最根本的东西。程序运行可以没有堆，但是不能没有栈。而堆是为栈进行数据存储服务，说白了堆就是一块共享的内存。不过，正是因为堆和栈的分离的思想，才使得Java的垃圾回收成为可能。

Java中，栈的大小通过-Xss来设置，当栈中存储数据比较多时，需要适当调大这个值，否则会出现java.lang.StackOverflowError异常。常见的出现这个异常的是无法返回的递归，因为此时栈中保存的信息都是方法返回的记录点。

7  Java虚拟机中对象的访问及存放

举个实例Student stu=new Student();

指针方式

Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型

参考来源：https://www.iteye.com/blog/pengjiaheng-518623

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