JVM_01 内存结构篇

Posted 2021-12-21 爪洼ing

JVM（Java Virtual Machine）

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：

• 一次编译，处处执行
• 自动的内存管理，垃圾回收机制
• 数组下标越界检查

3、比较：

JVM、JRE、JDK 的关系如下图所示

2、学习 JVM 有什么用？

• 面试必备
• 中高级程序员必备
• 想走的长远，就需要懂原理，比如：自动装箱、自动拆箱是怎么实现的，反射是怎么实现的，垃圾回收机制是怎么回事等待，JVM 是必须掌握的。

3、常见的 JVM

这里需要重点了解：JVM是一套规范，而我们也可以遵守这套规范实现自己的JVM（有能力的前提下！）

4、JVM整体预览

先做一个整体预览，然后逐个击破！

二、内存结构

1、程序计数器

1.1、概述：

JVM 中的程序计数器(Program Counter Register)有的时候也被称作PC寄存器，为了避免混淆这里解释一下，这里，并非是广义上所指的

物理寄存器，或许将其翻译为 PC 计数器(或指令计数器)更加贴切(也称为程序钩子)，并且也不容易引起误会。

JVM 中 PC 寄存器是堆物理 PC 寄存器的一种抽象模拟。

1.2、特点：

• 是线程私有的
• 不会存在内存溢出（OOM）

1.3、作用：

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。

2、虚拟机栈

栈帧：每个方法执行的时候需要的内存空间，其中占用空间的有（参数、局部变量、返回地址等）

当我们调用一个方法的时候，会在虚拟机栈当中给他开辟一个栈帧大小的空间，然后让栈帧入栈，方法执行完毕栈帧出栈！

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（Frame）组成，对应着每次调用方法时所占用的内存
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的方法

相关问题：

1、垃圾回收是否涉及占栈内存 ？

答： 不会，因为我们的栈中的栈帧空间是用完就释放的！

2、栈内存的分配越大越好吗？

答：不是，由于我们的物理内存是有限的，一个栈的内存越大，能开线程越少，并发降低，其作用仅仅是增加了方法的递归调用

3、方法内的局部变量是否为线程安全的？

答：是的，局部变量是在线程私有的，不会与其他线程共享，不会产生线程安全问题（前提是局部变量没有逃离方法的作用范围！）

2.1、栈内存溢出

栈帧过大、过多、或者第三方类库操作，都有可能造成栈内存溢出 java.lang.stackOverflowError ，使用 -Xss256k 指定栈内存大小！

2.2、线程运行诊断

案例一：cpu 占用过多

解决方法：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

• top 命令，查看是哪个进程占用 CPU 过高
• ps H -eo pid (进程id), tid（线程id）,%cpu | grep ： 刚才通过 top 查到的进程号 通过 ps 命令进一步查看是哪个线程占用 CPU 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。

案例二：长时间运行未出现结果（可能出现死锁）

解决方法：使用jstack工具 + 进程号，就会定位到死锁问题！

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。

4、堆

Heap 堆

• 通过new关键字创建的对象都会被放在堆内存

特点 :

• 它是线程共享，堆内存中的对象都需要考虑线程安全问题
• 有垃圾回收机制

4.1、堆内存溢出

发生堆内存溢出会抛出 java.lang.OutOfMemoryError

可以使用 -Xmx8m 来指定堆内存大小。将堆内存调小就可以便于我们排查问题！

4.2、堆内存诊断

1、jps工具：查看当前系统中有哪些java进程 : jps

2、jmap工具 ：查看堆内存的占用情况 : jmap - heap + 进程id

3、jconsole工具 ： 图形化界面多功能的检测工具，可以连续监测

4、jvisualvm工具 ： 相对jconsole更加强大的可视化工具

案例 ： 垃圾回收后，内存占用仍然很高！

使用jvisualvm，启动可视化工具检测我们的虚拟机内存，找到HeapDump，对堆内存进行一个快照（内存转储），然后获取并且分析此时详细数据，定位原因！

5、方法区

首先看一个定义：我们的JVM规范中对于方法区（Method Area）的定义：

看一下内存结构

5.1、方法区内存溢出

• 1.8 之前会导致永久代内存溢出

  使用 -XX:MaxPermSize=8m 指定永久代内存大小
  

• 1.8 之后会导致元空间内存溢出

  使用 -XX:MaxMetaspaceSize=8m 指定元空间大小
  

5.2、运行时常量池

首先先理解什么是常量池

1、我们可以通过堆一下代码得字节码文件进行反编译，拿到我们的反编译信息

//想要运行就需要被编译为二进制字节码（类基本信息，常量池，类方法定义，包含虚拟机指令）
public class ContentPoolTest 
    public static void main(String[] args) 
        System.out.println("Hello World");
    

2、找到字节码文件执行

javap -v ContentPoolTest.class

3、可以得出我们得字节码文件，反编译后的结果

然后我们对字节码文件进行说明

由此可以总结得出：常量池就是一张表，虚拟机指令根据这张常量表，去找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息

我们一个类的字节码文件包含一个常量池，多个类一起运行的情况下，会将每个类的常量池表汇聚在一起，放在我们的运行时常量池

其中也不会是#1 #2 #3 这种地址，而是真实的内存地址！

5.3、串池 StringTable

• 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【懒加载，只有当JVM指令用到的时候才会创建对象】
• 利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象 【主要是因为串池是HashTable实现的，底层是Hash表不可扩容】
• 字符串变量的拼接原理：StringBuilder（1.8）
• 字符串常量的拼接原理是编译期优化
• 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子！

案例一

   //StringTable["a","b","ab"]
        String s1 = "a" ;  //当执行到此出处的时候会将a转为"a"，然后放入StringTable中
        String s2 = "b" ;
        String s3 = "ab" ;
        String s4 = s1 + s2 ; //new StringBuilder().append("a").append("b").toString ; new String("ab")保存在堆中！
        String s5 = "a" + "b" ; //在编译期间已经优化，在编译期确定为ab ;
        System.out.println(s3 == s4); // false ;
        System.out.println(s3 == s5); // true

案例二

intern方法1.7以后

		String s = new String("a") + new String("b") ;
        //StringBuilder动态字符串拼接，保存在堆中【此时串池没有"ab"】
        System.out.println(s == "ab"); //false ;
        String str = s.intern();// 如果串池没有s，intern方法会将s的值传入串池当中，并且返回串池子中的对象
								// 如果串池中有s，s就不会入池但是，仍然会返回串池中的对象 【无论怎样s都会入池】
        System.out.println(str == "ab"); //返回true 
        System.out.println(s == "ab"); //true ; 

intern方法1.6以前

        String s = new String("a") + new String("b") ;
        //StringBuilder动态字符串拼接，保存在堆中【此时串池没有"ab"】
        System.out.println(s == "ab"); //false ;
        String str = s.intern();// intern方法会将s的值拷贝一份传入串池当中，并且返回串池中的对象 
		
	//	【注意：此时的s仍然是在堆中】
		
        System.out.println(str == "ab"); //返回true
        System.out.println(s == "ab"); //false ; 

5.4、StringTable 的位置

• jdk1.6 StringTable 位置是在永久代中
• jdk1.8 StringTable 位置是在堆中

5.5、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打印GC信息
• -verbose:gc 打印 gc 的次数，耗费时间等信息``

/**
 * 演示 StringTable 垃圾回收
 * -Xmx10m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
 */
public class Code_05_StringTableTest 

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

5.6、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=桶个数（最少设置为 1009 以上）

• 考虑是否需要将字符串对象入池,可以通过 intern 方法减少重复入池

6、直接内存

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

6.1、使用直接内存的好处

文件读写流程：

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

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。

减少了不必要的复制操作

6.2、直接内存回收原理

直接内存的回收不是通过 JVM 的垃圾回收来释放的，，而是通过unsafe.freeMemory 来手动释放。

public class Code_06_DirectMemoryTest 

    public static int _1GB = 1024 * 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) throws IOException, NoSuchFieldException, IllegalAccessException 	
//        method();
          method1();
     
    
    // 演示 直接内存 是被 unsafe 创建与回收
    private static void method1() throws IOException, NoSuchFieldException, IllegalAccessException 

        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        field.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe)field.get(Unsafe.class);

        long base = unsafe.allocateMemory(_1GB);
        unsafe.setMemory(base,_1GB, (byte)0);
        System.in.read();

        unsafe.freeMemory(base);
        System.in.read();
    

    // 演示 直接内存被 释放
    private static void method() throws IOException 
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1GB);
        System.out.println("分配完毕");
        System.in.read();
        System.out.println("开始释放");
        byteBuffer = null;
        System.gc(); // 手动 gc
        System.in.read();
    

直接内存的回收机制总结

使用了 Unsafe 类来完成直接内存的分配回收，回收需要主动调用freeMemory 方法ByteBuffer 的实现内部使用了 Cleaner（虚引用）来检测 ByteBuffer 。一旦ByteBuffer 被垃圾回收，那么会由 ReferenceHandler（守护线程） 来调用 Cleaner 的 clean 方法freeMemory 来释放内存

简述：一但BtyeBuffer这个这个java类被回收，就会将我们的直接内存释放！

然而我们一般用 jvm 调优时，会加上下面的参数：

-XX:+DisableExplicitGC  //禁止显示的 GC

意思就是禁止我们手动的 GC，比如手动 System.gc() 无效，它是一种 full gc，会回收新生代、老年代，会造成程序执行的时间比较长。

所以我们就通过 unsafe 对象主动的调用 freeMemory 的方式释放内存。

）