JVM学习笔记（一）：JVM内存模型

文章目录

• • 1、程序计数器
  • • 1.1、定义
    • 1.2、作用
    • 1.3、特点
  • 2、虚拟机栈
  • • 2.1、定义
    • 2.2、问题辨析
    • 2.3、栈内存溢出（StackOverflowError）
    • 2.4、线程运行诊断
  • 3、本地方法栈
  • 4、堆
  • • 4.1、定义
    • 4.2、堆内存溢出（OutOfMemoryError）
    • 4.3、堆内存诊断
  • 5、方法区
  • • 5.1、定义与组成
    • 5.2、方法区内存溢出
    • 5.3、运行时常量池
    • 5.4、常量池和串池的关系
    • 5.5、StringTable特性

1、程序计数器 1.1、定义

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：1.是线程私有的，2.不会存在内存溢出

1.2、作用

如图所示，右列代码就是我们所说的源代码，而左列就是经过jdk编译得到的二进制字节码（JVM指令）。字节码通过解释器解释为机器码，最终才会被CPU运行。

那这跟程序计数器有什么关系呢？

在这个过程中，我们的程序计数器会记住JVM指令的地址（也就是左列中的数字），程序计数器拿到地址后，解释器才会将程序计数器记录的JVM指令进行执行，然后程序计数器继续获取下一条JVM指令，直到执行完所有的JVM指令，所以程序计数器的作用是：记住下一条jvm指令的执行地址，如果没有程序计数器，解释器根本不知道接下来执行哪条JVM命令

在物理上，实现程序计数器是通过寄存器，它是CPU组件中读取速度最快的单元！所以JVM在设计的时候，就把CPU中的寄存器当作程序计数器！

1.3、特点

众所周知，Java语言是支持多线程的，当线程1执行JVM指令时，假设执行到第9条JVM指令，恰巧此时CPU切换到线程2，不在继续执行当前JVM指令，这时程序计数器就会把下一条JVM指令（第10条）记住，而且程序计数器与线程1是私有的！如果线程2执行过程中，线程1抢到时间片（CPU执行权），恢复运行时就知道自己接下来应该执行第10条JVM指令。

每个线程都有自己的私有的程序计数器，因为他们各自执行代码的指令地址不同！这是程序计数器第一个特点

第二个特点是：程序计数器是JVM中唯一个不会存在内存溢出的区域！

2、虚拟机栈 2.1、定义

栈数据结构的特点是：先进后出

那么虚拟机栈是干嘛用的？
我们的Java程序线程运行时候，需要为每一个线程划分内存空间。所以虚拟机栈可以理解为：线程运行时需要的内存空间。

一个线程运行时需要一个栈，将来多个线程运行时候就需要多个虚拟机栈。

每个栈内由多个栈帧组成。一个栈帧对应着一次方法的调用，每个方法运行时需要的内存，我们就称之为栈帧。

当线程调用一个方法时，就会把栈帧放入栈中，运行完方法后，就会把栈帧释放。一个虚拟机栈对应多个栈帧。

每个线程只能有一个活动栈帧，就是当前正在执行的那个方法。

2.2、问题辨析

1. 垃圾回收是否会涉及栈内存？
   不会，因为栈内存实际上就是一次次方法调用产生的栈帧内存，栈帧内存在对应的方法调用结束后弹出栈，就是自动被释放回收，所以不需要垃圾回收管理我们的栈内存。垃圾回收只是回收堆内存中的无用对象，而栈内存不需要进行垃圾回收处理

2. 栈内存分配越大越好吗？
   栈内存可以通过运行代码时，通过虚拟机参数来指定。栈内存划分的越大会让线程数变少。为什么？
   因为我们的物理内存（我的电脑物理内存为16GB）大小是一定的，一个线程使用的是栈内存，一个线程假设使用1mb内存，物理内存假设有500mb，理论上可以有500个线程同时运行。如果我们栈内存变大导致线程使用内存变大为2mb，那么只能同时运行250个线程。
   所以栈内存并不是越大越好，它的空间划分大了，线程占用空间也大，物理空间是固定的，导致线程数量就会变少！一般采用系统默认栈内存大小

3. 方法内局部变量是否是线程安全？
   判断这个问题只需要看局部变量是多个线程共享，还是单个线程私有。
   如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，就是线程安全的。
   如果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（StackOverflowError）

• 栈帧过多（方法递归调用）
  

• 栈帧过大
  
  我们可以手动设置栈内存大小：
  

2.4、线程运行诊断

案例：CPU占用过高

定位方式：

• 用top命令定位哪个进程对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：查看到进程中所有线程的信息，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

3、本地方法栈

该方法栈的作用：为本地方法运行提供内存空间

例如Object类中有很多本地方法（native修饰），此类方法并没有被具体实现，而是仅仅提供一个接口，调用C、C++中的代码

代码展示：

public class Object {

    public final native Class getClass();

    public native int hashCode();
    
    protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;

    public final native void notify();

    public final native void notifyAll();

    public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

    protected void finalize() throws Throwable { }
}

4、堆 4.1、定义

上述提到的这些内存模型都是线程私有的，而接下来介绍的堆是线程共享的。

我们通过new关键字创建的对象，都会存放在堆内存中！

特点：

1. 它是线程共享的，堆内存中的对象都需要考虑线程安全问题
2. 具有垃圾回收机制

4.2、堆内存溢出（OutOfMemoryError）

可能这里会有疑问：既然堆内存具备垃圾回收机制，那么为什么还会造成堆内存溢出？

因为我们垃圾回收的条件是堆内存中的对象不被引用，然而有时候，我们可能会创建出大量被引用的对象，这时候就不会进行回收，并且不断占用堆内存空间，此时就会造成堆内存溢出问题！

当然堆内存和栈内存一样，都可以通过IDEA手动设置内存大小如下：

4.3、堆内存诊断

首先介绍几个堆内存诊断的工具：

1. jps：查看当前系统中有哪些 java 进程
2. jmap：查看堆内存占用情况 jmap - heap 进程id
3. jconsole：图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测
4. jvisualVM：可视化的JVM诊断工具

工具使用展示：

1. 执行jps，查看一下当前程序进程
   
2. 执行jmap -heap 进程号，查看一下该进程的内存占用情况
   

接下来演示一下jconsole工具的使用：

我们在idea终端输入 jconsole就会出现图形化界面的工具，连接上去之后就可以看到堆内存的使用情况了：

5、方法区 5.1、定义与组成

方法区说白了就是用来存储类相关的数据。
在JDK1.6版本，该版本方法区具体的实现是使用永久代
在JDK1.8版本，永久代的实现方式被废弃了！ 方法区依旧是一个概念，此时方法区的实现变成了元空间，在此版本中方法区的内存结构不是JVM进行管理的，而是移到本地内存中，所谓本地内存就是操作系统内存。
还有一个区别就是JDK1.8版本的StringTable不会再放到方法区常量池中，而是移到堆内存当中！

5.2、方法区内存溢出

• 1.8版本之前会出现永久代内存溢出
• 1.8版本之后会出现元空间内存溢出

1.8版本的元空间默认情况下使用系统内存，不使用JVM内存。而且默认情况下没有设置上限。所以默认情况下执行下方代码很难造成方法去内存溢出：

所以我们需要配置元空间内存参数，设置为8MB：

此时再次运行就会导致方法区内存溢出：

5.3、运行时常量池

不论是1.6还是1.8版本，运行时常量池都会存在于方法区当中。
在1.6版本，运行时常量池中还会包含StringTable（串池）
讲解运行时常量池之前，先了解一下什么是常量池。

常量池就是一张常量表，JVM指令根据这张常量表找到想要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息。常量池是*.class文件中，当该类被加载，它的常量池信息就会放入到运行时常量池中，并把里面的符号地址转为真实地址。

5.4、常量池和串池的关系

代码如下：

常量池最初存在于字节码文件，运行时常量池的信息，会加载到运行时常量池。ldc #2会把a符号变成"a"字符串对象，同时会准备一个StringTable（数据结构为HashTable，长度固定不能扩容），此时就会在串池中寻找是否有相同的"a"，发现没有就会把"a"放入串池，如果有直接使用串池中的对象，串池中的对象是唯一的。

因此类推…

那么String s4 = s1 + s2;，这个新生成的s4是怎么工作的呢？

此时我们可以看到，进行拼接操作，就会创建一个StringBuilder，然后调用多个append()，将"a"，"b"拼接在一起，最后调用toString()，该方法底层会new String，astore 4表示将转换后的结果存入到s4变量中。

所以s3中的"ab"在串池中，而s4中的"ab"在堆内存中。

那么Stirng s5 = "a" + "b";，这种情况是怎样的呢？

ldc #4代表在常量池中找#4，就是直接拼接好的”ab“，发现串池中已经有"ab"，就不会去创建新的对象，结果已经在编译期间确定了。

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