JVM学习之 内存结构
一、引言
1.什么是JVM?
- 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）
- 好处：
- 一次编写，到处运行
- 自动内存管理， 垃圾回收功能
- 数组下标越界检查
- 多态
- 比较jvm、jre、jdk
2.学习JVM有什么用
- 理解底层的实现原理
- 中高级程序员的必备技能
3.常见的JVM
4.学习路线
二、内存结构
1. 程序计数器
1.1 定义
Program Counter Register 程序计数器（寄存器）
在物理上：位于寄存器
作用：是记住下一条jvm指令的执行地址
特点:
- 是线程私有的
- 不会存在内存溢出
1.2作用
0: getstatic #20 // PrintStream out = System.out;
3: astore_1 // --
4: aload_1 // out.println(1);
5: iconst_1 // --
6: invokevirtual #26 // --
9: aload_1 // out.println(2);
10: iconst_2 // --
11: invokevirtual #26 // --
14: aload_1 // out.println(3);
15: iconst_3 // --
16: invokevirtual #26 // --
19: aload_1 // out.println(4);
20: iconst_4 // --
21: invokevirtual #26 // --
24: aload_1 // out.println(5);
25: iconst_5 // --
26: invokevirtual #26 // --
29: return
- 解释器会解释指令为机器码交给 cpu 执行，程序计数器会记录下一条指令的地址行号，这样下一次解释器会从程序计数器拿到指令然后进行解释执行。
- 多线程的环境下，如果两个线程发生了上下文切换，那么程序计数器会记录线程下一行指令的地址行号，以便于接着往下执行。
2. 虚拟机栈
2.1定义
Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）
- 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈
- 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
- 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法
- 问题辨析
-
垃圾回收是否涉及栈内存？
栈内存并不涉及垃圾回收，栈内存的产生就是方法一次一次调用产生的栈帧内存，而栈帧内存在每次方法被调用后都会被弹出栈，自动就被回收掉，不需要垃圾回收。来管理 -
栈内存分配越大越好吗？
不是，在线程不多的情况下，栈内存分配大在递归时能提高运行速度，但他会影响线程的数目，从而影响到整个系统的运行速度 -
方法内的局部变量是否线程安全？
如果方法内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，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全，如果是共享的需要考虑线程安全，如果是私有的不用考虑线程安全
2.2栈内存溢出
- 栈帧过多导致栈内存溢出 ---->一般递归的时候容易出现
- 栈帧内存过大导致栈内存溢出 --->不易出现
- StackOverflowError 栈内存溢出异常
- @JsonIgnore
2.3线程运行诊断
案例1：cpu占用过多
定位
- 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 （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
可以根据线程id 找到有问题的线程，进一步定位到问题代码的源码行号
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。
为本地的方法提供一个运行的空间
4. 堆
4.1定义
Heap 堆
- 通过 new 关键字，创建对象都会使用堆内存
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
4.2堆内存溢出
- jps 工具
查看当前系统中有哪些 java 进程 - jmap 工具
查看堆内存占用情况 jmap - heap 进程id - jconsole 工具
图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测 - jvisualvm 工具
5. 方法区
5.1方法区
Java 虚拟机有一个在所有 Java 虚拟机线程之间共享的方法区。方法区类似于传统语言的编译代码的存储区，或者类似于操作系统进程中的“文本”段。它存储每个类的结构，例如运行时常量池、字段和方法数据，以及方法和构造函数的代码，包括类和实例初始化以及接口初始化中使用 的特殊方法。
方法区是在虚拟机启动时创建的。尽管方法区在逻辑上是堆的一部分，但简单的实现可能会选择不进行垃圾收集或压缩它。本规范不要求方法区域的位置或用于管理已编译代码的策略。方法区域可以是固定大小，也可以根据计算需要扩大，如果不需要更大的方法区域，可以缩小。方法区的内存不需要是连续的。
Java 虚拟机实现可以为程序员或用户提供对方法区域初始大小的控制，以及在方法区域大小可变的情况下，对最大和最小方法区域大小的控制。
以下异常情况与方法区相关：
如果方法区域中的内存无法满足分配请求，Java 虚拟机将抛出一个OutOfMemoryError.
JVM规范-方法区定义
5.2组成
5.3方法区内存溢出
-
1.8 以前会导致永久代内存溢出
演示永久代内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
-XX:MaxPermSize=8m -
1.8 之后会导致元空间内存溢出
演示元空间内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
-XX:MaxMetaspaceSize=8m
场景：
spring
mybatis
5.4 运行时常量池
// 二进制字节码（类基本信息，常量池，类方法定义，包含了虚拟机指令）
public class Test {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("hello world");
}
}
然后使用 javap -v Test.class 命令反编译查看结果：
每条指令都会对应常量池表中一个地址，常量池表中的地址可能对应着一个类名、方法名、参数类型等信息。
- 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
5.5 StringTable
面试题：
String s1 = "a";
String s2 = "b";
String s3 = "a" + "b"; // ab
String s4 = s1 + s2; // new String("ab")
String s5 = "ab";
String s6 = s4.intern();
// 问
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"); // new String("cd")
x2.intern();
String x1 = "cd";
// 问，如果调换了【最后两行代码】的位置呢，如果是jdk1.6呢
System.out.println(x1 == x2);
// jdk1.6:
// String x1 = "cd"; x2.intern();
// x2.intern(); false String x1 = "cd"; ture
// jdk1.8:
// String x1 = "cd"; x2.intern();
// x2.intern(); false String x1 = "cd"; ture
练习：
// StringTable [ "a", "b" ,"ab" ] hashtable 结构，不能扩容
public class Demo1_22 {
// 常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中， 这时 a b ab 都是常量池中的符号，还没有变为 java 字符串对象
// ldc #2 会把 a 符号变为 "a" 字符串对象
// ldc #3 会把 b 符号变为 "b" 字符串对象
// ldc #4 会把 ab 符号变为 "ab" 字符串对象
public static void main(String[] args) {
String s1 = "a"; // 懒惰的
String s2 = "b";
String s3 = "ab";
String s4 = s1 + s2; // new StringBuilder().append("a").append("b").toString() new String("ab")
String s5 = "a" + "b"; // javac 在编译期间的优化，结果已经在编译期确定为ab
System.out.println(s3 == s4);//s3是在串池中的，而s4则是在堆中，所有不相等
System.out.println(s3 == s5);// true
}
}
使用javap -v Demo1_22.class命令
5.6 StringTable的特性
- 常量池中的字符串仅是符号，第一次用到时才变为对象
- 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 （1.8）
- 字符串常量拼接的原理是编译期优化
- 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
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 池中的对象的引用返回
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
5.7 StringTable 位置
jdk1.6 StringTable 位置是在永久代中，1.8 StringTable 位置是在堆中。
5.8 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
-verbose:gc 打印 gc 的次数，耗费时间等信息
演示StingTable垃圾回收：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int i = 0;
try {
for (int j = 0; j < 100000; j++) { // j=100, j=10000
String.valueOf(j).intern();
i++;
}
} catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println(i);
}
}
5.9 StringTable 性能调优
调整 -XX:StringTableSize=桶个数
考虑将字符串对象是否入池
6. 直接内存
6.1 定义
Direct Memory
- 常见于 NIO 操作时，用于数据缓冲区
（Java NIO 简介：
Java NIO（New IO）是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。 NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作）
- 分配回收成本较高，但读写性能高
直接内存读取文件用的是byteBuffer进行读取文件，调用allocateDirect方法，建立一个直接内存，系统可以用，java代码也可以用
- 不受 JVM 内存回收管理
垃圾回收只能回收java内存
回收直接内存需要通过主动调用Unsafe类中的freeMory()方法来释放内存的
文件读写过程（IO）：
6.2 使用直接内存的好处
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。
6.2 直接内存回收的原理
public class Demo1_9 {
static final String FROM = "E:\\编程资料\\第三方教学视频\\youtube\\Getting Started with Spring Boot-sbPSjI4tt10.mp4";
static final String TO = "E:\\a.mp4";
static final int _1Mb = 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) {
io(); // io 用时：1535.586957 1766.963399 1359.240226
directBuffer(); // directBuffer 用时：479.295165 702.291454 562.56592
}
private static void directBuffer() {
long start = System.nanoTime();
try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel();
FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel();
) {
ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(_1Mb);
while (true) {
int len = from.read(bb);
if (len == -1) {
break;
}
bb.flip();
to.write(bb);
bb.clear();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
long end = System.nanoTime();
System.out.println("directBuffer 用时：" + (end - start) / 1000_000.0);
}
private static void io() {
long start = System.nanoTime();
try (FileInputStream from = new FileInputStream(FROM);
FileOutputStream to = new FileOutputStream(TO);
) {
byte[] buf = new byte[_1Mb];
while (true) {
int len = from.read(buf);
if (len == -1) {
break;
}
to.write(buf, 0, len);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
long end = System.nanoTime();
System.out.println("io 用时：" + (end - start) / 1000_000.0);
}
}
直接内存的回收不是通过JVM的垃圾回收来实现的，而是手动通过Unsafe的freeMemory方法来释放的
第一步 ：allocateDirect的实现
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}
观看代码可知，是创建了一个DirectByteBuffer的对象
第二步，DircetByteBuffer类
DirectByteBuffer(int cap) { // package-private
super(-1, 0, cap, cap);
boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
int ps = Bits.pageSize();
long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
Bits.reserveMemory(size, cap);
long base = 0;
try {
base = unsafe.allocateMemory(size);
} catch (OutOfMemoryError x) {
Bits.unreserveMemory(size, cap);
throw x;
}
unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
if (pa && (base % ps != 0)) {
// Round up to page boundary
address = base + ps - (base & (ps - 1));
} else {
address = base;
}
**cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));**
att = null;
}
cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
这句代码是通过虚引用，来实现直接内存的释放，this为虚引用的实际对象, 第二个参数是一个回调，实现了 runnable 接口，run 方法中通过 unsafe 释放内存。
这里调用了一个 Cleaner 的 create 方法，且后台线程还会对虚引用的对象监测，如果虚引用的实际对象（这里是 DirectByteBuffer ）被回收以后，就会调用 Cleaner 的 clean 方法，来清除直接内存中占用的内存。
public void clean() {
if (remove(this)) {
try {
this.thunk.run();
} catch (final Throwable var2) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
if (System.err != null) {
(new Error("Cleaner terminated abnormally", var2)).printStackTrace();
}
System.exit(1);
return null;
}
});
}
}
}
可以看到关键的一行代码， this.thunk.run()，thunk 是 Runnable 对象。run 方法就是回调 Deallocator 中的 run 方法
public void run() {
if (address == 0) {
// Paranoia
return;
}
// 释放内存
unsafe.freeMemory(address);
address = 0;
Bits.unreserveMemory(size, capacity);
}
直接内存的回收机制总结
- 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）来监测 ByteBuffer 对象，一但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方法 来释放直接内存。
/**
* -XX:+DisableExplicitGC 显示的
*/
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 失效
System.in.read();
}
一般用 jvm 调优时，会加上下面的参数：
-XX:+DisableExplicitGC // 静止显示的 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 对象调用 freeMemory 的方式释放内存。
