JVM内存结构阐述

Posted 2022-01-06 进击地小白

内存结构

程序计数器

• 作用，是记住下一条jvm指令的执行地址

• 是线程私有的

• 在线程上下文切换的过程中需要记录到下一条要执行的指令的地址，等到线程再次被调度到执行的时候，还是根据该线程的程序计数器，来找到下一条要执行的指令的地址

• 每个线程都有自己独有的程序计数器

• 唯一一个内存不会溢出的

• 随着线程创建而创建，随着线程销毁而销毁

栈

栈可以说是虚拟机栈中的局部变量表

局部变量表中存放了编译期可知的各种基本数据类型，对象引用（不等于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

• 线程运行需要的内存空间

• 栈帧（参数，局部变量，返回地址）：每个方法运行时需要的内存

• 一个栈由多个栈帧组成

• 栈先入后出

栈的演示

 

主方法调用method1，method1调用method2

method2栈帧在栈的顶部

method1在栈的中间

主方法在栈的底部

局部变量，参数在method2栈帧内占用内存

方法结束完后一步步从顶至下弹出，占用的内存也会被释放掉

问题辨析

1. 垃圾回收是否涉及栈内存：不需要，栈内存是一次次方法调用产生的栈帧内存，而每一次方法调用后都会被弹出栈，自动被回收掉，不需要垃圾回收来涉及栈内存

2. 栈内存分配越大越好吗：栈内存过大会导致线程数变少，物理内存大小是有限的,假设物理内存为500M，如果栈内存为250M，能运行的线程就只有俩个

3. 方法内的局部变量是否线程安全：局部变量是线程私有的，不会受到其他线程干扰，是线程安全的。但是给局部变量加上static修饰，就会有线程安全问题了！如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，它就是线程安全的。如果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。

 

三个方法 m1线程安全，m2，m3线程安全需要考虑

m2中StringBuilder作为参数（逃离了方法的作用范围）可能被别的线程访问到，需要改成Stringbuffer才能保证线程安全

m3中把sb返回（逃离了方法的作用范围）可能导致被别的线程访问到

栈内存溢出

1. 栈帧过多导致栈内存溢出（stackOverFlowError）（递归没有退出条件）

2. 栈帧过大导致栈内存溢出

线程运行诊断

• 用top（linux命令）定位哪个进程对cpu占用过高

•  ps H -eo pid，%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 （根据线程id找到有问题的线程）

本地方法栈

 

java中有时候不能与操作系统直接交互，需要本地方法接口（c，c++编写的）与操作系统更底层的api来实现交互

堆

堆：通过new关键字，创建对象都会使用堆内存，是java虚拟机所管理的内存中最大的一块，此内存区域唯一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，堆是垃圾收集器管理的主要区域

• 它是线程共享的，堆中对象都要考虑线程安全

• 有垃圾回收机制

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

堆内存诊断（idea Terminal中输入命令）

• jps：查看当前系统有哪些java进程

• jmap -heap （进程id） 检查java堆内存占用

• jconsole 图形化界面监视和管理控制台

• jvisualvm 可视化虚拟机

方法区

随着虚拟机启动时创建

方法区与堆一样是各个java虚拟机线程共享的一块区域

它存储了跟类的结构相关的一些信息

类的成员变量，常量，静态变量，方法数据，以及成员方法，构造器方法，特殊方法的代码部分等数据，虽然java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与java堆区分开来

永久代：hotspot虚拟机1.8以前对方法区的称呼

方法区内存溢出：

• 1.8以前导致永久代溢出

• 1.8以后会导致元空间溢出

 

场景：

• spring

• mybatis

• 动态代理

  在运行时生成类导致内存溢出

运行时常量池

 

常量池：就是一张表，虚拟机指令可以根据这张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：运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本，字段，方法，接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放，并把里面的符号变为真实地址

JDK1.8 StringTable（字符串常量池(运行时常量池的一部分)）是存在堆中的

jdk1.6即以下版本 StringTable是在永久代中

最重要一点，StringTable中存储的并不是String类型的对象，储存的而是指向String对象的索引，真实对象还是储存在堆中。

 

s1+s2是变量，在运行中可能引用的值被修改，结果不能确定，所以必须在运行期间动态的用StringBuilder进行字符串拼接，而s5是常量在编译期就已经能确定好，不需要StringBuilder方式拼接

字符串是延迟称为对象的，即执行到哪一行才会在字符串常量池中放入那一行

了解字符串常量池StringTable案例

 

String.intern()是一个Native方法，它的作用：如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个对象的String对象，否则将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并且返回此String对象的引用

这里一开始将x放入了字符串常量池，然后new了一个s放在了堆中

s.intern将s放入串池，但是串池中已经有了“ab” 则不会放入串池，只会返回串池中的对象 所以s2 == x（true） 因为s2是串池中返回的对象 与常量池中的ab相等，s==x为false 常量池已经有了“ab”所以没把s放入串池中，还是存在堆中 (jdk1.8).

 

s2==x（true）

s== x（true） 因为s.intern（）方法将s放入了字符串常量池(串池中没有“ab”)

如果是jdk1.6是将s拷贝，结果又会不同了，这里就不进行详细阐述了

 

x1 == x2 为false 因为常量池已有cd x2.intern（）没有将x2放入常量池成功，x2.intern（）的返回对象才会与 x1 相同

StringTable调优

调整 -XX:StringTableSize=桶个数

考虑将字符串对象是否入池

如果字符串很多 可考虑入池

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存频繁地被使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以我们放到这里进行讲解

在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channle）与缓冲区（Buffer）的的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作，避免了在Java堆中和Native堆中来回复制数据

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存以及处理器寻址空间的限制，服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置 -Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域综合大于物理内存限制，从而导致动态扩展时OutOfMemoryError异常。

• 常见于NIO操作，用于数据缓冲区

• 分配回收成本高，但读写性能高

• 不受jvm内存回收管理

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）来检测ByteBuffer对象，一旦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来释放内存