JVM——内存结构（2）

内存结构

1. 程序计数器
2. 虚拟机栈
3. 本地方法栈
4. 堆
5. 方法区

1. 程序计数器

1.1 定义

Program Counter Register 程序计数器（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

执行完0后，程序计数器就会把记住的执行地址3拿去执行。以此类推，执行4，5，6......

• 当线程1的时间片执行完后，就会去执行线程2.当线程2的时间片执行完后，就回去执行线程1.

• 每个线程都有自己的程序计数器。

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

当方法被调用后，栈帧就会出栈，被释放掉。

2.2.举例说明：

出栈操作：

问题辨析

1. 垃圾回收是否涉及栈内存？

   不需要。每个方法用完后，就弹出栈了。

2. 栈内存分配越大越好吗？

   不是，物理内存一定，栈内存大小与线程的数量成反比关系。当物理内存为500M时，每个线程的内存为1M，则可以有500个线程；若每个线程的内存为2M，则只能有250个线程。

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

2.3 栈内存溢出

• 栈帧过多导致栈内存溢出
• 栈帧过大导致栈内存溢出

栈帧过多导致栈内存溢出:不断地调用栈帧，栈帧1还没有调用完毕就调用调用栈帧2，栈帧2还没有调用完毕就调用调用栈帧3......。只进栈，不出栈，导致超出物理内存容量，导致内存溢出。通常出现在递归调用中。

递归调用导致栈内存溢出举例：

设置栈内存大小为256k:

栈帧过大导致栈内存溢出：一个栈帧的内存就超过了栈的物理内存

2.4 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

案例2：程序运行很长时间没有结果

3. 本地方法栈

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

4.3 堆内存诊断

1. jps 工具

   • 查看当前系统中有哪些 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，多功能的监测工具，可以连续监测

   jps与jmap的使用：
   jps文件需要在jdk的bin目录下运行，所以必须先进入bin目录。
   

jconsole 工具

在Terminal中输入jconsole

Jvisualvm:

案例

• 垃圾回收后，内存占用仍然很高

5. 方法区

5.1 定义

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

• 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

先看几道面试题：

String s1 = "a";
String s2 = "b";
String s3 = "a" + "b";
String s4 = s1 + s2;
String s5 = "ab";
String s6 = s4.intern();

// 问
System.out.println(s3 == s4);
System.out.println(s3 == s5);
System.out.println(s3 == s6);

String x2 = new String("c") + new String("d");
String x1 = "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
System.out.println(x1 == x2);

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

5.6 StringTable 位置

5.7 StringTable 垃圾回收

5.8 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
• 分配回收成本较高，但读写性能高
• 不受 JVM 内存回收管理

（A）:

（B）:

direct memory 少了一次缓存操作，所以速度更快。

6.2 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）来监测 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