【JVM】内存结构

1. 程序计数器

1.1 定义

程序计数器：Program Counter Register 程序计数器（寄存器）

作用：记住下一条jvm指令的执行地址。

特点：

• 是线程私有的(每个线程都有自己的程序计数器，切换线程的时候才知道接下来执行那条命令)。
• 随着线程的创建而创建，随线程销毁而销毁。
• 不会存在内存溢出。

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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		

左侧的是 二进制字节码 ，它是jvm指令；而右侧的是 java源代码 。

但是这些jvm指令不能直接交给CPU执行，它需要先转成机器码才能交给CPU执行。这就需要使用到 解释器 将jvm指令转翻译成成机器码再交给CPU。

而程序计数器的作用就是记住下一条jvm指令的地址，如果没有程序计数器，jvm就不知道下一条该执行哪条命令。

①假设取出一条指令 xxx ，解释器将它翻译成机器码再交给CPU执行，与此同时，把下一条的指令地址放入程序计数器。

②等上一条指令执行完后，解释器再去程序计数器中取出下一条指令的地址，再执行①。

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2. 虚拟机栈

2.1 定义

Java Virtual Machine Statcks (Java虚拟机栈)

• 每个线程运行所需要的内存，称为虚拟机栈。
• 每个栈由多个栈帧(Frame)组成，对应每次方法调用时占用的内存。
• 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：

1. 垃圾回收是否涉及栈内存？
2. 栈内存分配越大越好吗？
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，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全。

1.答：不涉及。栈帧内存在每一次方法调用完毕之后都会弹出栈，不需要垃圾回收来管理栈内存。垃圾回收是去回收堆内存中的无用对象。

2.答：不是。栈内存越大只不过是能进行更多次的方法调用，而且栈内存分配的越大，所支持的线程数会越少。

3.答：安全。局部变量是线程私有的。

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2.2 栈内存溢出

栈内存溢出场景：

• 栈帧过多导致栈内存溢出
• 栈帧过大导致栈内存溢出

栈内存大小可通过 -Xss 设置，比如设置 -Xss256k 。栈内存默认大小位1M。

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2.3 线程运行诊断

案例1：cpu占用过多

定位：

1. 用top命令定位哪个进程对cpu的占用过高，得到pid
2. 使用 ps H -eo pid,tid,%cpu | grep pid 。用ps命令进一步定位到是进程的哪个线程cpu占用过高，得到tid
3. jstack pid
   • 将tid转化为十六进制，与控制台输出比对，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

1. 获得程序的进程id(pid)
2. 使用 jstack pid 查看信息，发现是死锁
3. 在输出信息的末尾可以发现问题原因和代码的源码行号

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3. 本地方法栈

本地方法：不是由java编写的方法，一般是c或c++代码编写的方法。本地方法运行时使用的内存就是本地方法栈。

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4. 堆

4.1 定义

Heap 堆

• 通过new关键字创建的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。

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4.2 堆内存溢出

堆内存大小可以通过 -Xmx 设置，比如 -Xmx8m 。

一般来说不再被使用的对象就会被垃圾回收，但是如果对象一直创建一直被使用，那么就会导致堆内存溢出。

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4.3 堆内存诊断

1. jps工具
   • 查看当前系统中有哪些java进程 (jps)
2. jmap工具
   • 查看堆内存占用情况 (jmap -heap pid)
3. jconsole工具
   • 图形界面，多功能的监测工具，可以连续监测 (jconsole)

案例：

• 垃圾回收后，内存占用仍然很高。

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5. 方法区

方法区是所有java虚拟机线程所共享的，它存储了类结构的相关信息，比如成员变量，方法和构造器代码，以及特殊方法。

方法区在虚拟机启动时创建，方法区在逻辑上是堆的组成部分，具体是不是堆的一部分不同jvm厂商的实现方式不一样。

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5.1 定义

JVM规范-方法区定义

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5.2 组成

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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

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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。

public class Demo{
    public static void main(String[] args){
        String s1="a";
        String s2="b";
        String s3="ab";
    }
}

常量池中的信息在程序运行时都会被加载到运行时常量池中，这时a，b，c都还是常量池中的符号，还没有变为java字符串对象。只有当运行到程序引用了”它“的那一行，他才会成为字符串对象。

如下图所示：

①当程序运行到 ldc #2 时，就要去找一个 a 符号，找到a符号之后就会把它变成字符串对象。

②变成字符串对象之后，jvm需要准备一个 StringTable [] ，又称字符串常量池或串池，它在数据结构上是哈希表，长度固定，不能扩容。

③此时串池还为空，”a“字符串对象创建后把”a“作为key去 StringTable 中找是否有取值相同的key，如果没有，它就会把”a“放入串池。此时串池中只有一个 [“a”]

④接下来两行代码执行完后，串池已经有了三个字符串对象 StringTable ["a","b","ab"]。

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在原来的代码中新增一行代码，如下所示：

public class Demo{
    public static void main(String[] args){
        String s1="a";
        String s2="b";
        String s3="ab";
        String s4=s1+s2;	//new StringBuilder().append("a").append("b").toString()  =  new String("ab")
        System.out.println( s3 == s4 );
    }
}

将代码编译之后再反编译，如下所示：

s4的值是通过new关键字创建出来的，它存储在堆中，而s3是串池中的字符串对象，它们的地址不同，所以输出false 。

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继续增加代码：

public class Demo{
    public static void main(String[] args){
        String s1="a";
        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 在编译期间就会将"a"+"b"优化为"ab",因为"a"和"b"都已经是常量了。而上一行的是变量，所以不会优化。
        
        System.out.println( s3 == s4 );		//false
    }
}

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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 。
• 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，如果有则不会放入，如果没有则会放入串池，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，会把串池中的对象返回。

例：

public static main(String[] args){
    String s = new String("a") + new String("b");	// new String("ab")
    //串池	StringTable: [ "a","b" ]
    //堆	new String("a")	, new String("b")	, new String("ab")
    
    //再执行如下代码
    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。
    //串池	StringTable: [ "a","b","ab" ]
    //堆	new String("a")	, new String("b")	, new String("ab")
    
    System.out.println(s2=="ab");	//true
    System.out.println(s=="ab");	//true
}