JVM概述和内存结构

一、JVM概述

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
• 数组下标越界越界检查
• 多态 (使用虚方法调用的方式实现多态)

比较：

jre jdk jvm

常见的JVM：

二、内存结构

2.1 程序计数器 （Program Counter Register PCR）

1. 定义：物理上用寄存器
2. 作用：记住下一条jvm指令的执行地址

3. 特点：
   • 线程私有，每个线程维护一个程序计数器，随着线程创建而创建，销毁而销毁。
   • 不会存在内存溢出，是一块较小的内存空间

2.2 虚拟机栈

-Xss定义栈大小

定义：

• 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）（包含参数，局部变量，返回地址）组成，对应着每次方法调用所占用的内存
• 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：

1. 垃圾回收是否涉及栈内存？

​ 垃圾回收只涉及堆内存，不涉及栈内存

2. 栈内存分配越大越好吗？

​ 并不是越大越好，内存空间是固定的，栈内存越大，可用线程数则越少

3. 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范围，它是线程安全的
   // 如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用方法，需要考虑线程安全
   
   //线程安全
   public static void m1() {
   	StringBuilder sb = new StringBuilder();
       sb.append(1);
       sb.append(2);
       sb.append(3);
       System.out.println(sb.toString());
   }
   
   //线程不安全，可以将StringBuilder改为StringBuffer
   public static void m2(StringBuilder sb) {
       sb.append(1);
       sb.append(2);
       sb.append(3);
       System.out.println(sb.toString());
   }
   
   //线程不安全，因为它作为返回值逃离方法的作用范围。
   public static StringBuilder m2() {
   	StringBuilder sb = new StringBuilder();
       sb.append(1);
       sb.append(2);
       sb.append(3);
       return sb;
   }

2.2.1 栈内存溢出

• 栈帧过多导致内存溢出（错误的递归调用）
• 栈帧过大导致内存溢出（不常见）

2.2.2 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数

案例2：程序运行很长时间没有结果

2.3 本地方法栈

调用本地方法时，给本地方法的运行提供内存空间

native方法：不是由java代码编写的方法。因为java代码存在限制，有时候不能够直接和操作系统进行交互。

举例：clone(), hashCode(), notify(), notifyall(), wait()

2.4 堆

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

展开：对于局部变量，如果是基本类型，会把值直接存储在栈；如果是引用类型，比如String s = new String(“william”);会把其对象存储在堆，而把这个对象的引用（指针）存储在栈。

堆内存溢出

-Xmx定义堆内存大小

堆内存诊断

1. jps

   • 查看当前系统有哪些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，多功能的检测工具，可以连续检测

4. jvirsualvm

2.5 方法区

方法区定义：

1. 方法区属于是 JVM 运行时数据区域的一块逻辑区域，是所有Java虚拟机线程共享的区域。当有多个线程都用到一个类的时候，而这个类还未被加载，则应该只有一个线程去加载类，让其他线程等待；
2. 保存在着被加载过的每一个类的信息；这些信息由类加载器在加载类的时候，从类的源文件中抽取出来；static变量信息也保存在方法区中。
3. 方法区的大小不必是固定的，jvm可以根据应用的需要动态调整。jvm也可以允许用户和程序指定方法区的初始大小，最小和最大限制；
4. 方法区在虚拟机开启时创建。

2.5.1 组成部分

2.5.2 方法区内存溢出

• 1.8以前会导致永久代内存溢出
• 1.8以后会导致元空间内存溢出

场景

• Spring
• Mybatis

2.5.3运行时常量池

• 常量池：一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的而类名、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，当该类被加载时，它的常量池信息就会被放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址。

2.5.4 StringTable

// StringTable ["a", "b", "ab"] hashtable结构，不能扩容
// 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

String s1 = "a"; // 懒惰的，延迟加载
String s2 = "b";
String s3 = "a" + "b";
String s4 = s1 + s2; // new StringBuilder.append("a").append("b").toString() -> new String("ab")
String s5 = "ab";
String s6 = s4.intern();

System.out.println(s3 == s4); // false (s3在StringTable中，s4在堆中)
System.out.println(s3 == s5); // true (javac在编译期间的优化，结果在编译器确定为ab)
System.out.println(s3 == s6); // true

String x2 = new String("c") + new String("d"); // new String("cd")
String x1 = "cd"; // "cd"
x2.intern();

//问：如果调换了【最后两行代码】的位置呢？如果是jdk1.6呢（复制一份放入常量池）？
System.out.println(x1 == x2); // false (常量池 堆)  true(堆和常量池 堆和常量池)  false(常量池 堆)

2.5.5 StringTable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间优化
• 可以用intern方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池，会把串池的对象返回
  • 1.8将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则不会放入，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，如果有则不会放入，如果没有会把此对象复制一份，放入串池中，会把串池中的对象返回

//1.8
//["a", "b", "ab"]
public static void main(String[] args) {
    String x = "ab";
    String s = new String("a") + new String("b"); // new String("ab")
    
    // 堆 new String("a") new String("b") new String("ab")
    String s2 = s.intern();//将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则不会放入，如果没有则放入串池，会把串池中的对象返回
    
    System.out.println(s2 == x); // true
    System.out.println(s == x);  // false
    
}

//1.8
//["a", "b", "ab"]
public static void main(String[] args) {

    String s = new String("a") + new String("b"); // new String("ab")
    
    // 堆 new String("a") new String("b") new String("ab")
    String s2 = s.intern();//将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则不会放入，如果没有则放入串池，会把串池中的对象返回
    
    String x = "ab";
    System.out.println(s2 == x); // true
    System.out.println(s == x); // true
    
}

//1.8
//["ab","a", "b"]
public static void main(String[] args) {

    String s = new String("a") + new String("b"); // new String("ab")
    
    // 堆 new String("a") new String("b") new String("ab")
    String s2 = s.intern();//将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则不会放入，如果没有则放入串池，会把串池中的对象返回
    
    String x = "ab";
    System.out.println(s2 == x); // true
    System.out.println(s == x); // true
    
}

//1.6
//["ab","a", "b"]
public static void main(String[] args) {

    String s = new String("a") + new String("b"); // new String("ab")
    
    // 堆 new String("a") new String("b") new String("ab")
    String s2 = s.intern();//将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则不会放入，如果没有会把此对象复制一份，放入串池中，会把串池中的对象返回
    
    String x = "ab";
    System.out.println(s2 == x); // true
    System.out.println(s == x); // false
    
}

2.5.6 StringTable位置

JDK1.7 之前，字符串常量池存放在永久代。JDK1.7 字符串常量池和静态变量从永久代移动了 Java 堆中。

JDK 1.7 为什么要将字符串常量池移动到堆中？

主要是因为永久代（方法区实现）的 GC 回收效率太低，只有在整堆收集 (Full GC)的时候才会被执行 GC。Java 程序中通常会有大量的被创建的字符串等待回收，将字符串常量池放到堆中，能够更高效及时地回收字符串内存。

2.5.7 StringTable 性能调优

• -XX:StringTableSize=20000 调整桶个数 -XX:+PrintStringTableStatistics

​ StringTable 底层使用哈希表实现的，增加bucket的数量，就可以减少哈希碰撞，从而实现性能调优。

• 考虑将字符串对象是否入池

2.6 直接内存

定义：

• 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

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。

JDK1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的 I/O 方式，它可以直接使用 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。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

本机直接内存的分配不会受到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制

2.6.1 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来释放直接内存。

传统io

使用直接内存

参考：

https://www.bilibili.com/video/BV1yE411Z7AP P1 - P47

https://javaguide.cn/java/jvm/memory-area.html