JVM内存结构

一、JVM概述 1.1 什么是JVM？

定义：Java Virtual Machine：Java 程序的运行环境（Java 二进制字节码的运行环境）
好处：

一次编写，到处运行（Windows，Linux）
自动内存管理，垃圾回收功能
数组下标越界检查
多态

1.2 比较JVM、JRE、JDK

1.3 JVM内存结构，学习路程

二、JVM内存结构

程序计数器
虚拟机栈
本地方法栈
堆
方法区

2.1 程序计数器

定义： Program Counter Register 程序计数器（寄存器实现）
作用：记住下一条 JVM 指令的执行地址

右侧Java源代码经过编译，成为左侧的二进制字节码，包含跨平台的JVM指令
将字节码指令装入解释器中，解释器会解释为机器码，机器码交给CPU来执行。
程序计数器，用于记住下一条JVM执行地址，在CPU执行完上一条指令时，解释器会从程序计数器中去拿下一条要执行的指令，重复解释器 —> 机器码 —> CPU

特点：

线程私有的
不会存在内存溢出（唯一一个不会存在内存溢出的区域）

2.2 虚拟机栈

定义： Java Virtual Machine Stacks（Java虚拟机栈）

每个线程运行时所需要的内存，成为虚拟机栈
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
- 栈帧：每个方法运行时需要的内存，方法内的参数、局部变量，返回地址等
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（栈顶部的方法）
存放基本类型，实例方法，对象引用…

可以debug调试查看：

public class StackDemo_01 {
    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;
    }
}

问题辨析：

垃圾回收是否涉及栈内存？
不涉及，栈帧内存在每一次方法调用结束后，都会弹出栈，会自动回收，所以不用垃圾回收。垃圾回收只是回收堆内存中的无用对象。
栈内存分配越大越好吗？
-Xss size 来分配栈内存大小，如：-Xss 1024k
方法内的局部变量是否线程安全？
如果线程私有，int x = 0，就不用考虑线程安全，如果是 static 修饰，就要考虑线程安全，多个线程共享会涉及线程安全。
（1）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
（2）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（有返回值）

2.2.2 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（一般不可能）

示例：

public class StackDemo_02 {
    private static int count;
    public static void main(String[] args) {
        try {
            method1();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            System.out.println(count);
        }

    }

    private static void method1() {
        count++;
        method1();
    }
}

2.2.3 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

2.3 本地方法栈

用 native 声明，Object内很多方法
给本地方法运行提供内存空间
一般用的不多，硬件开发用的多
PC程序计数器

2.4 堆 2.4.1 定义

Heap 堆

通过new关键字，创建的对象都会使用堆内存
特点：
是线程共享的，堆中对象都需要考虑线程安全问题
有垃圾回收机制

通过-Xmx指令来分配内存，如：-Xmx8m

2.4.2 堆内存溢出

public class HeapDemo_01 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            List list = new ArrayList<>();
            String a = "hello";
            while(true){
                list.add(a);
                a = a + a;
                i++;
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2.4.3 堆内存诊断

jps 工具
查看当前系统中有哪些 java 进程
jmap 工具
查看堆内存占用情况 jmap - heap 进程id，某个时刻
jconsole 工具
图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测

2.5 方法区 2.5.1 定义

所有线程共享的区域，存储了根类结构的相关信息：运行时常量池、类的成员变量、方法数据、成员方法和构造方法的代码以及一些特殊方法。
在虚拟机启动时就被创建，逻辑上是堆的一个组成部分，不同的厂商实现位置不同
HotSpot 的实现：JDK1.7及以前：用的永久代实现（堆内存），JDK1.8及以后：用的元空间实现（用的本地内存）

2.5.2 方法区组成

2.5.3 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
框架用到很多的字节码技术，动态代理，会产生大量对象，JDK1.8 后一般不会出现此问题

2.5.4 运行时常量池

二进制字节码（类的基本信息、常量池、类的方法定义、虚拟机指令）
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（字符串，整数，bool类型）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（#2，#25 等符号地址）

2.5.5 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

2.5.6 StringTable 位置

1.6 中，StringTable 在永久代中
1.8 中，StringTable 在堆中

2.6 直接内存 2.6.1 定义

Direct Memory：操作系统的内存

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

2.6.2 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

JVM内存结构

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