一、JVM 入门介绍
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）
JVM 优势
- 一次编写，到处运行
- 自动内存管理，垃圾回收机制
- 数组下标越界检查 常见的JVM
注：我们笔记所使用的的是HotSpot 版本
JVM JRE JDK的比较
JVM JRE JDK的区别：
学习步骤
学习顺序如下图：(由简到难)
二、内存结构
整体架构
1、程序计数器(寄存器)
Program Counter Register
1.1 作用
程序计数器用于保存JVM中下一条所要执行的指令的地址
0:getstatic #20 // PrintStream out = System.out; 1:astore_1 // -- 2:aload_1 // out.println(1); 3:iconst_1 // -- 4:invokevirtual #26 // -- 5:aload_1 // out.println(2); 6:iconst_2 // -- 7:invokevirtual #26 // -- 8:aload_1 // out.println(3); 9:iconst_3 // -- 10:invokevirtual #26 // -- 11:aload_1 // out.println(4); 12:iconst_4 // -- 13:invokevirtual #26 // -- 14:aload_1 // out.println(5); 15:iconst_5 // -- 16:invokevirtual #26 // -- return
Java指令执行流程：
- 每一条二进制字节码(JVM指令) 通过 解释器 转换成 机器码 然后 就可以被 CPU 执行了！
- 当 解释器 将一条jvm 指令转换成 机器码后 其会 向程序计数器 递交 下一条 jvm 指令的执行地址！
- 程序计数器在硬件层面 其实是通过 寄存器 实现的！
- 所以程序计数器的作用就是：用于保存JVM中下一条所要执行的指令的地址！
1.2 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
Java Virtual Machine Stacks
2.1 定义
- 每个线程运行需要的内存空间，这一空间被称为虚拟机栈(Frames)
- 每个栈由多个栈帧(Frame) 组成，对应着每个方法运行时所占用的内存
- 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，当方法执行时压入栈，方法执行完毕后 弹出栈
2.2 演示
代码
/**
* @Auther: csp1999
* @Date: 2020/11/10/11:36
* @Description: 演示栈帧
*/
public class Demo01 {
public static void main(String[] args) {
methodA();
}
private static void methodA() {
methodB(1, 2);
}
private static int methodB(int a, int b) {
int c = a + b;
return c;
}
}
我们打断点来Debug 一下看一下方法执行的流程：
接这往下走，使方法B执行完毕：
然后方法A执行完毕，其对应的栈帧出栈，main方法对应的栈帧为活动栈帧；最后main执行完毕 栈帧出栈，虚拟机栈为空，代码运行结束！
2.3 面试问题辨析
- 1.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。
- 2.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。
- 举例：如果物理内存是500M(假设)，如果一个线程所能分配的栈内存为2M的话，那么可以有250个线程。而如果一个线程分配栈内存占5M的话，那么最多只能有100 个线程同时执行！
3.方法内的局部变量是否是线程安全的？
从图中得出：局部变量如果是静态的可以被多个线程共享，那么就存在线程安全问题。如果是非静态的只存在于某个方法作用范围内，被线程私有，那么就是线程安全的！
看一个案例：
/**
* 局部变量的线程安全问题
*/
public class Demo02 {
public static void main(String[] args) {// main 函数主线程
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append(4);
sb.append(5);
sb.append(6);
new Thread(() -> {// Thread新创建的线程
m2(sb);
}).start();
}
public static void m1() {
// sb 作为方法m1()内部的局部变量，是线程私有的 ---> 线程安全
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append(1);
sb.append(2);
sb.append(3);
System.out.println(sb.toString());
}
public static void m2(StringBuilder sb) {
// sb 作为方法m2()外部的传递来的参数，sb 不在方法m2()的作用范围内
// 不是线程私有的 ---> 非线程安全
sb.append(1);
sb.append(2);
sb.append(3);
System.out.println(sb.toString());
}
public static StringBuilder m3() {
// sb 作为方法m3()内部的局部变量，是线程私有的
StringBuilder sb = new StringBuilder();// sb 为引用类型的变量
sb.append(1);
sb.append(2);
sb.append(3);
return sb;// 然而方法m3()将sb返回，sb逃离了方法m3()的作用范围，且sb是引用类型的变量
// 其他线程也可以拿到该变量的 ---> 非线程安全
// 如果sb是非引用类型，即基本类型(int/char/float...)变量的话，逃离m3()作用范围后，则不会存在线程安全
}
}
该面试题答案：
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
2.4 内存溢出
Java.lang.stackOverflowError 栈内存溢出
发生原因
- 1.虚拟机栈中，栈帧过多（无限递归），这种情况比较常见！
- 2.每个栈帧所占用内存过大(某个/某几个栈帧内存直接超过虚拟机栈最大内存)，这种情况比较少见！
举2个案例：
案例1：
/**
* 演示栈内存溢出 java.lang.StackOverflowError
* -Xss256k 可以通过栈内存参数 设置栈内存大小
*/
public class Demo03 {
private static int count;
public static void main(String[] args) {
try {
method1();
} catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
System.out.println(count);
}
}
private static void method1() {
count++;// 统计栈帧个数
method1();// 方法无限递归，不断产生栈帧 到虚拟机栈
}
}
最后输出结果：
java.lang.StackOverflowError
at com.haust.jvm_study.demo.Demo03.method1(Demo03.java:21)
...
...
39317// 栈帧个数，不同的虚拟机大小能存放的栈帧数量不一样
我们可以通过修改参数来指定虚拟机栈内存大小
当我们将虚拟机栈内存缩小到指定的256k的时候再运行Demo03后，会得到其栈内最大栈帧数为：3816 远小于原来的39317！
案例2：
/**
* 两个类之间的循环引用问题，导致的栈溢出
*
* 解决方案：打断循环，即在员工emp 中忽略其dept属性，放置递归互相调用
*/
public class Demo04 {
public static void main(String[] args) throws JsonProcessingException {
Dept d = new Dept();
d.setName("Market");
Emp e1 = new Emp();
e1.setName("csp");
e1.setDept(d);
Emp e2 = new Emp();
e2.setName("hzw");
e2.setDept(d);
d.setEmps(Arrays.asList(e1, e2));
// 输出结果：{"name":"Market","emps":[{"name":"csp"},{"name":"hzw"}]}
ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();// 要导入jackson包
System.out.println(mapper.writeValueAsString(d));
}
}
/**
* 员工
*/
class Emp {
private String name;
@JsonIgnore// 忽略该属性:为啥呢？我们来分析一下！
/**
* 如果我们不忽略掉员工对象中的部门属性
* System.out.println(mapper.writeValueAsString(d));
* 会出现下面的结果：
* {
* "name":"Market","emps":
* [c
* {"name":"csp",dept:{name:'xxx',emps:'...'}},
* ...
* ]
* }
* 也就是说，输出结果中，部门对象dept的json串中包含员工对象emp，
* 而员工对象emp 中又包含dept，这样互相包含就无线递归下去，json串越来越长...
* 直到栈溢出！
*/
private Dept dept;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public Dept getDept() {
return dept;
}
public void setDept(Dept dept) {
this.dept = dept;
}
}
/**
* 部门
*/
class Dept {
private String name;
private List emps;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public List getEmps() {
return emps;
}
public void setEmps(List emps) {
this.emps = emps;
}
}
2.5 线程运行诊断
案例1：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命令进一步查看具体是哪个线程占用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
- 可以通过线程id，找到有问题的线程，进一步定位到问题代码的源码行数！
我们可以看到上图中的thread1 线程一直在运行(runnable)中，说明就是它占用了较高的CPU内存；
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！
如图：
- 本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用,它的初衷是融合C/C++程序,Java诞生的时候是C/C++横行的时候,要想立足,必须由调用C/C++程序,于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码,它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法,在Execution Engine执行时加载native libraies
- 目前该方法的使用的越来越少了,除非是与硬件有关的应用,比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备,在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达,比如可以使用Socket通信,也可以使用Web Service等等,不多做介绍
- 本地方法栈(Native Method Stack)：(它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine 执行时加载本地方法库)
- native方法的举例: Object类中的clone wait notify hashCode 等 Unsafe类都是native方法
4、总结
这篇文章的内容就到这了，希望大家多多关注脚本之家的其他内容！