Java-JVM 虚拟机原理调优实战

一、基础
栈帧（Stack Frame）栈空间的基本元素，用于方法的调用和方法的执行的数据结构

堆内存用来存放由new创建的对象和数组。在堆中分配的内存，由Java虚拟机的自动垃圾回收器来管理。在堆中产生了一个数组或对象后，还可以在栈中定义一个特殊的变量，让栈中这个变量的取值等于数组或对象在堆内存中的首地址，栈中的这个变量就成了数组或对象的引用变量。引用变量就相当于是为数组或对象起的一个名称，以后就可以在程序中使用栈中的引用变量来访问堆中的数组或对象。

String是一个特殊的包装类数据。可以用： String str = new String(“abc”);String str = “abc”;两种的形式来创建，第一种是用new()来新建对象的，它会在存放于堆中。每调用一次就会创建一个新的对象。而第二种是先在栈中创建一个对String类的对象引用变量str，然后查找栈中有没有存放"abc"，如果没有，则将"abc"存放进栈，并令str指向”abc”，如果已经有”abc” 则直接令str指向“abc”。比较类里面的数值是否相等时，用equals()方法；

程序计数器：指向当前线程所指向的字节码指令的（地址）行号。

本地方法栈：存放方法名有native修饰，public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException

栈帧和方法的关系：每一个方法的执行都对应了一个栈帧入栈到出栈的过程。

什么时候分配栈帧的内存？分配多少内存？
在编译代码的时候栈帧中需要多大的局部变量表，多深的操作数据栈都已经完全确定了，因此一个栈帧需要分配多少内存，不会受程序运行期数据的影响，只取决于虚拟机的实现。

二、图解
在这里插入图片描述
2.1 栈帧详解
2.1.1 局部变量表（Local variable Table）: 主要关注的栈内存，就是JVM栈中的局部变量表的部分。
局部变量表（Local variable Table）是一组储值空间，用于存放方法参数和方法的内部定义的局部变量，并且在Java编译为.class文件的时候就分配了该方法所需要的局部变量表的最大容量.

2.1.2 变量槽（Variable Slot）

是局部变量表容量的最小单位 4字节 32 位长度（4* 8) ;
blloean ,byte ,char short,int float ,【refrence】,double 和 long 8字节型需要2个Slot空间.
【reference】引用地址：一般来说虚拟机都能从直接引用或者间接引用中查找对象一下2点
在堆区存放的数据的开始索引
数据类型在方法区的数据类型

2.1.3 实例
方法执行时候，虚拟机使用局部变量表完成参数的传递，如果执行的方法是实例对象的方法，局部变量的0索引（比如x00001）就是在堆区对象实例的引用（通过this可以访问到这个地址）
其他参数按照顺序排列。

2.1.4 Slot复用
为了节省空间，Slot是可以复用的，也就是PC计数器的指令指已经超出了某个变量的作用域，（执行完毕）那么这个变量对应的Slot就会给其他变量使用，
优点：节省栈帧空间
缺点：影响垃圾回收：如果有大方法占用比较多的Slot，然后又不及时清除，或者设置为null，垃圾回收器就不能回收该内存.

2.1.5 动态连接（Dynamic Link)每个帧都包含一个指向运行时常量池中该帧所属于方法的引用，持有这个引用是为了支付方法调用过程中的动态连接。
静态解析：在类的加载的阶段的解析2.3阶段会将符号(PI)转化为直接引用(0x001)，这种转化也成为静态解析。
动态连接：另外一部分，在每次运行的时候将符号转化为直接引用，这部分称之为动态连接

2.1.6 方法返回地址（父帧）1.执行方法返回的2种方法：
1.正常退出：执行到return ，就退出方法2.异常退出：发生异常且未处理，
2.无论采用哪一种方法，在退出后都需要返回之前方法调用的位置，就是父帧

一般来说，方法正常退出时候，PC计数器的值可以作为放回的地址，栈帧中会保存这个计数器中的值，但是方法异常退出时候，返回的地址通过异常处理器表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分的信息。

2.1.7 操作数栈：
操作数栈和局部变量表一致
编译为class就确定大小
Slot为基础储存单位
作用：当一个方法开始时候，方法数栈始空的，执行中，各种字节码文件指令往操作数栈中读取内容和写入内容，入栈和出栈的操作
比如算术运算就是通过操作数栈来进行的，或者调用其他方法时候是用操作数栈来传递参数的

三、栈溢出模拟 SO(StackOverflowError)
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
new Demo().a();
}
private void a(){
b();
}
private void b(){
a();
}
}
调试运行栈帧截图：
在这里插入图片描述

方法每次调用都会新增一个栈帧，a() 方法和 b()循环调用导致栈内存暴满。
方法的递归调用同理

四、堆Heap
新生区：
新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，
一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。
新生区又分为两部分：伊甸区（Eden Space）和幸存者区(Survivor space)，所有的类都是在伊甸区被new出来的。
幸村区有两个：0区（Survivor 0 space）和1区（Survivor 1space）。
当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，Jvm的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（Minor GC），将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园区中的剩余对象移动到幸存0区。若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区。
那如果1区也满了呢？再移动到养老区。若养老区也满了，那么这个时候将产生MajorGC（FullGC），进行养老区的内存清理。若养老区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError“。

如果出现java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space异常，说明Java虚拟机的对内存不够。原因有二：　　
（1）Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、Xmx来调整。　　
（2）代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）

Java堆从GC的角度还可以细分为：新生代（Eden区、From Survivor区和To Survivor区）和老年代。
在这里插入图片描述

MinorGC的过程(复制->清空->互换)，其中，Eden：From：To = 8：1：1
1：eden、SurvivorFrom复制到survivorTo，年龄+1　　首先，把Eden和SurvivorFrom区域中存活的对象复制到SurvivorTo区域（如果有对象的年龄以及达到了老年的标准，则赋值到老年代区），同时把这些对象的年龄+1（如果SurvivorTo不够位置了就放到老年区）　
2：清空eden、SurvivorFrom　　然后，清空Eden和SurvivorFrom中的对象　　
3：SurvivorTo和SurvivorFrom互换　　最后，SurvivorTo和SurvivorFrom互换，原SurvivorTo成为下一次GC时SurvivorFrom区

Java1.8之后将最初的永久代取消了，由元空间取代。　　
在Java8中，永久代已经被移除了。被一个称为元空间的区域所取代。元空间的本质和永久代类似。　　
元空间与永久代之间最大的区别在于：　　
元空间并不在虚拟机中而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。类的元数据当如native memeory，字符串池和类的静态变量放入java堆中，这样可以加载多少类的元数据就不在由MaxPermSize控制，而由系统的实际可用空间来控制。
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通过下面实例可以观察Heap 中新生区[eden->surviorFrom0->surviorFrom1]->老年代区[old] 内存变化到内存报错
报错：Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

public class HeapOom {

private byte[] b = new byte[1024];

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ArrayList<HeapOom> list = new ArrayList<>();
    while(true){
        list.add(new HeapOom());
        Thread.sleep(10);
    }
}

}
堆内存空间调整参数

参数名称描述
-Xms 设置初始分配大小，默认为物理内存的1/64
-Xmx 最大分配内存，默认为物理内存的1/4
-XX:+PrintGCDetails 输出详细的GC处理日志
-XX:+PrintGCTimeStamps 输出GC的时间戳信息
-XX:+PrintGCDateStamps 输出GC的时间戳信息（以日期的形式，如2019-09-15T16:24:24.155+0800）
-XX:+PrintHeapAtGC 在GC进行处理的前后打印堆内存信息
-Xloggc:保存路径设置日志信息保存文件