jvm系列二内存结构

二、内存结构

整体架构

1、程序计数器

作用

用于保存JVM中下一条所要执行的指令的地址

特点

• 线程私有
  • CPU会为每个线程分配时间片，当当前线程的时间片使用完以后，CPU就会去执行另一个线程中的代码
  • 程序计数器是每个线程所私有的，当另一个线程的时间片用完，又返回来执行当前线程的代码时，通过程序计数器可以知道应该执行哪一句指令
• 不会存在内存溢出

2、虚拟机栈

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

演示

代码

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		method1();
	}

	private static void method1() {
		method2(1, 2);
	}

	private static int method2(int a, int b) {
		int c = a + b;
		return c;
	}
}

在控制台中可以看到，主类中的方法在进入虚拟机栈的时候，符合栈的特点

问题辨析

• 垃圾回收是否涉及栈内存？
  • 不需要。因为虚拟机栈中是由一个个栈帧组成的，在方法执行完毕后，对应的栈帧就会被弹出栈。所以无需通过垃圾回收机制去回收内存。
• 栈内存的分配越大越好吗？
  • 不是。因为物理内存是一定的，栈内存越大，可以支持更多的递归调用，但是可执行的线程数就会越少。
• 方法内的局部变量是否是线程安全的？
  • 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，则是线程安全的
  • 如果如果局部变量引用了对象，并逃离了方法的作用范围，则需要考虑线程安全问题

内存溢出

Java.lang.stackOverflowError 栈内存溢出

发生原因

• 虚拟机栈中，栈帧过多（无限递归）
• 每个栈帧所占用过大

线程运行诊断

CPU占用过高

• 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, 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

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

4、堆

定义

通过new关键字创建的对象都会被放在堆内存

特点

• 所有线程共享，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

堆内存溢出

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

堆内存诊断

jps

jmap

jconsole

jvirsalvm

5、方法区

结构

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

常量池

二进制字节码的组成：类的基本信息、常量池、类的方法定义（包含了虚拟机指令）

通过反编译来查看类的信息

• 获得对应类的.class文件

  • 在JDK对应的bin目录下运行cmd，也可以在IDEA控制台输入

    

  • 输入 javac 对应类的绝对路径

    F:\JAVA\JDK8.0\bin>javac F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day01\Main.java
    

    输入完成后，对应的目录下就会出现类的.class文件

• 在控制台输入 javap -v 类的绝对路径

  javap -v F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day01\Main.class
  

• 然后能在控制台看到反编译以后类的信息了

  • 类的基本信息

    

  • 常量池

    

    

  • 虚拟机中执行编译的方法（框内的是真正编译执行的内容，#号的内容需要在常量池中查找）

    

运行时常量池

• 常量池
  • 就是一张表（如上图中的constant pool），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、字面量信息
• 运行时常量池
  • 常量池是_.class文件中的，当该*_类被加载以后，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**

常量池与串池的关系

串池StringTable

特征

• 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
• 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
• 字符串常量拼接的原理是编译器优化
• 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中
• 注意：无论是串池还是堆里面的字符串，都是对象

用来放字符串对象且里面的元素不重复

public class StringTableStudy {
	public static void main(String[] args) {
		String a = "a"; 
		String b = "b";
		String ab = "ab";
	}
}

常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中，但这是a b ab 仅是常量池中的符号，还没有成为java字符串

0: ldc           #2                  // String a
2: astore_1
3: ldc           #3                  // String b
5: astore_2
6: ldc           #4                  // String ab
8: astore_3
9: return

当执行到 ldc #2 时，会把符号 a 变为 “a” 字符串对象，并放入串池中（hashtable结构 不可扩容）

当执行到 ldc #3 时，会把符号 b 变为 “b” 字符串对象，并放入串池中

当执行到 ldc #4 时，会把符号 ab 变为 “ab” 字符串对象，并放入串池中

最终StringTable [“a”, “b”, “ab”]

注意：字符串对象的创建都是懒惰的，只有当运行到那一行字符串且在串池中不存在的时候（如 ldc #2）时，该字符串才会被创建并放入串池中。

使用拼接字符串变量对象创建字符串的过程

public class StringTableStudy {
	public static void main(String[] args) {
		String a = "a";
		String b = "b";
		String ab = "ab";
		//拼接字符串对象来创建新的字符串
		String ab2 = a+b; 
	}
}

反编译后的结果

	 Code:
      stack=2, locals=5, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String a
         2: astore_1
         3: ldc           #3                  // String b
         5: astore_2
         6: ldc           #4                  // String ab
         8: astore_3
         9: new           #5                  // class java/lang/StringBuilder
        12: dup
        13: invokespecial #6                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        20: aload_2
        21: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        24: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/Str
ing;
        27: astore        4
        29: return

通过拼接的方式来创建字符串的过程是：StringBuilder().append(“a”).append(“b”).toString()

最后的toString方法的返回值是一个新的字符串，但字符串的值和拼接的字符串一致，但是两个不同的字符串，一个存在于串池之中，一个存在于堆内存之中

String ab = "ab";
String ab2 = a+b;
//结果为false,因为ab是存在于串池之中，ab2是由StringBuffer的toString方法所返回的一个对象，存在于堆内存之中
System.out.println(ab == ab2);

使用拼接字符串常量对象的方法创建字符串

public class StringTableStudy {
	public static void main(String[] args) {
		String a = "a";
		String b = "b";
		String ab = "ab";
		String ab2 = a+b;
		//使用拼接字符串的方法创建字符串
		String ab3 = "a" + "b";
	}
}

反编译后的结果

 	  Code:
      stack=2, locals=6, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String a
         2: astore_1
         3: ldc           #3                  // String b
         5: astore_2
         6: ldc           #4                  // String ab
         8: astore_3
         9: new           #5                  // class java/lang/StringBuilder
        12: dup
        13: invokespecial #6                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        20: aload_2
        21: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
        24: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/Str
ing;
        27: astore        4
        //ab3初始化时直接从串池中获取字符串
        29: ldc           #4                  // String ab
        31: astore        5
        33: return

• 使用拼接字符串常量的方法来创建新的字符串时，因为内容是常量，javac在编译期会进行优化，结果已在编译期确定为ab，而创建ab的时候已经在串池中放入了“ab”，所以ab3直接从串池中获取值，所以进行的操作和 ab = “ab” 一致。
• 使用拼接字符串变量的方法来创建新的字符串时，因为内容是变量，只能在运行期确定它的值，所以需要使用StringBuffer来创建

intern方法 1.8

调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中

• 如果串池中没有该字符串对象，则放入成功
• 如果有该字符串对象，则放入失败

无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象

注意：此时如果调用intern方法成功，堆内存与串池中的字符串对象是同一个对象；如果失败，则不是同一个对象

例1

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		//"a" "b" 被放入串池中，str则存在于堆内存之中
		String str = new String("a") + new String("b");
		//调用str的intern方法，这时串池中没有"ab"，则会将该字符串对象放入到串池中，此时堆内存与串池中的"ab"是同一个对象
		String st2 = str.intern();
		//给str3赋值，因为此时串池中已有"ab"，则直接将串池中的内容返回
		String str3 = "ab";
		//因为堆内存与串池中的"ab"是同一个对象，所以以下两条语句打印的都为true
		System.out.println(str == st2);
		System.out.println(str == str3);
	}
}

例2

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
        //此处创建字符串对象"ab"，因为串池中还没有"ab"，所以将其放入串池中
		String str3 = "ab";
        //"a" "b" 被放入串池中，str则存在于堆内存之中
		String str = new String("a") + new String("b");
        //此时因为在创建str3时，"ab"已存在与串池中，所以放入失败，但是会返回串池中的"ab"
		String str2 = str.intern();
        //false
		System.out.println(str == str2);
        //false
		System.out.println(str == str3);
        //true
		System.out.println(str2 == str3);
	}
}

intern方法 1.6

调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中

• 如果串池中没有该字符串对象，会将该字符串对象复制一份，再放入到串池中
• 如果有该字符串对象，则放入失败

无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象

注意：此时无论调用intern方法成功与否，串池中的字符串对象和堆内存中的字符串对象都不是同一个对象

StringTable 垃圾回收

StringTable在内存紧张时，会发生垃圾回收

StringTable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=xxxx
  

  ​

• 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

• 属于操作系统，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

文件读写流程

使用了DirectBuffer

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

释放原理

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

通过

//通过ByteBuffer申请1M的直接内存
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1M);

申请直接内存，但JVM并不能回收直接内存中的内容，它是如何实现回收的呢？

allocateDirect的实现

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
    return new DirectByteBuffer(capacity);
}

DirectByteBuffer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); //申请内存
    } 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)); //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
    att = null;
}

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(); //调用run方法
           } 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;
                   }
               });
           }

对应对象的run方法

public void run() {
    if (address == 0) {
        // Paranoia
        return;
    }
    unsafe.freeMemory(address); //释放直接内存中占用的内存
    address = 0;
    Bits.unreserveMemory(size, capacity);
}

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来调用Cleaner的clean方法调用freeMemory来释放内存