JVM系列学习之——二、内存结构
二、内存结构
0、整体架构
1、程序计数器
1.1作用
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
2.1定义
- 每个线程运行需要的内存空间，称为虚拟机栈
- 每个栈由多个栈帧组成，对应着每次调用方法时所占用的内存
- 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
2.2演示
代码
public class Main {
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;
}
}
在控制台中可以看到，主类中的方法在进入虚拟机栈的时候，符合栈的特点
2.3问题辨析
- 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。
- 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。
- 方法内的局部变量是否是线程安全的？
- 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
- 虚拟机栈中，栈帧过多（无限递归）
- 每个栈帧所占用过大
2.5线程运行诊断
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
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
4、堆
4.1定义
通过new关键字创建的对象都会被放在堆内存
4.2特点
- 所有线程共享，堆内存中的对象都需要考虑线程安全问题
- 有垃圾回收机制
4.3堆内存溢出
java.lang.OutofMemoryError ：java heap space. 堆内存溢出
4.4堆内存诊断
jps
jmap
jconsole
jvirsalvm
5、方法区
5.1结构
5.2内存溢出
- 1.8以前会导致永久代内存溢出
- 1.8以后会导致元空间内存溢出
5.3常量池
二进制字节码的组成：类的基本信息、常量池、类的方法定义（包含了虚拟机指令）
通过反编译来查看类的信息
-
获得对应类的.class文件
-
在JDK对应的bin目录下运行cmd，也可以在IDEA控制台输入
-
输入 javac 对应类的绝对路径
F:\JAVA\JDK8.0\bin>javac F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day01\Main.java输入完成后，对应的目录下就会出现类的.class文件
-
-
在控制台输入 javap -v 类的绝对路径
javap -v F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day01\Main.class -
然后能在控制台看到反编译以后类的信息了
-
类的基本信息
-
常量池
-
虚拟机中执行编译的方法（框内的是真正编译执行的内容，#号的内容需要在常量池中查找）
-
5.4运行时常量池
- 常量池
- 就是一张表（如上图中的constant pool），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、字面量信息
- 运行时常量池
- 常量池是*.class文件中的，当该类被加载以后，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
5.5常量池与串池的关系
5.5.1串池StringTable
特征
- 常量池中的字符串仅是符号，只有在被用到时才会转化为对象
- 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器优化
- 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中
- 注意：无论是串池还是堆里面的字符串，都是对象
用来放字符串对象且里面的元素不重复
public class StringTableStudy {
public static void main(String[] args) {
String a = "a";
String b = "b";
String ab = "ab";
}
}
常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中，但这是a b ab 仅是常量池中的符号，还没有成为java字符串
0: ldc #2 // String a
2: astore_1
3: ldc #3 // String b
5: astore_2
6: ldc #4 // String ab
8: astore_3
9: return
当执行到 ldc #2 时，会把符号 a 变为 “a” 字符串对象，并放入串池中（hashtable结构 不可扩容）
当执行到 ldc #3 时，会把符号 b 变为 “b” 字符串对象，并放入串池中
当执行到 ldc #4 时，会把符号 ab 变为 “ab” 字符串对象，并放入串池中
最终StringTable [“a”, “b”, “ab”]
注意：字符串对象的创建都是懒惰的，只有当运行到那一行字符串且在串池中不存在的时候（如 ldc #2）时，该字符串才会被创建并放入串池中。
使用拼接字符串变量对象创建字符串的过程
public class StringTableStudy {
public static void main(String[] args) {
String a = "a";
String b = "b";
String ab = "ab";
//拼接字符串对象来创建新的字符串
String ab2 = a+b;
}
}
反编译后的结果
Code:
stack=2, locals=5, args_size=1
0: ldc #2 // String a
2: astore_1
3: ldc #3 // String b
5: astore_2
6: ldc #4 // String ab
8: astore_3
9: new #5 // class java/lang/StringBuilder
12: dup
13: invokespecial #6 // Method java/lang/StringBuilder."":()V
16: aload_1
17: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
20: aload_2
21: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
24: invokevirtual #8 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/Str
ing;
27: astore 4
29: return
通过拼接的方式来创建字符串的过程是：StringBuilder().append(“a”).append(“b”).toString()
最后的toString方法的返回值是一个新的字符串，但字符串的值和拼接的字符串一致，但是两个不同的字符串，一个存在于串池之中，一个存在于堆内存之中
String ab = "ab";
String ab2 = a+b;
//结果为false,因为ab是存在于串池之中，ab2是由StringBuffer的toString方法所返回的一个对象，存在于堆内存之中
System.out.println(ab == ab2);
使用拼接字符串常量对象的方法创建字符串
public class StringTableStudy {
public static void main(String[] args) {
String a = "a";
String b = "b";
String ab = "ab";
String ab2 = a+b;
//使用拼接字符串的方法创建字符串
String ab3 = "a" + "b";
}
}
反编译后的结果
Code:
stack=2, locals=6, args_size=1
0: ldc #2 // String a
2: astore_1
3: ldc #3 // String b
5: astore_2
6: ldc #4 // String ab
8: astore_3
9: new #5 // class java/lang/StringBuilder
12: dup
13: invokespecial #6 // Method java/lang/StringBuilder."":()V
16: aload_1
17: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
20: aload_2
21: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String
;)Ljava/lang/StringBuilder;
24: invokevirtual #8 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/Str
ing;
27: astore 4
//ab3初始化时直接从串池中获取字符串
29: ldc #4 // String ab
31: astore 5
33: return
- 使用拼接字符串常量的方法来创建新的字符串时，因为内容是常量，javac在编译期会进行优化，结果已在编译期确定为ab，而创建ab的时候已经在串池中放入了“ab”，所以ab3直接从串池中获取值，所以进行的操作和 ab = “ab” 一致。
- 使用拼接字符串变量的方法来创建新的字符串时，因为内容是变量，只能在运行期确定它的值，所以需要使用StringBuilder来创建
5.5.2intern方法 1.8
调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中
- 如果串池中没有该字符串对象，则放入成功
- 如果有该字符串对象，则放入失败
无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象
注意：此时如果调用intern方法成功，堆内存与串池中的字符串对象是同一个对象；如果失败，则不是同一个对象
例1
public class Main {
public static void main(String[] args) {
//"a" "b" 被放入串池中，str则存在于堆内存之中
String str = new String("a") + new String("b");
//调用str的intern方法，这时串池中没有"ab"，则会将该字符串对象放入到串池中，此时堆内存与串池中的"ab"是同一个对象
String st2 = str.intern();
//给str3赋值，因为此时串池中已有"ab"，则直接将串池中的内容返回
String str3 = "ab";
//因为堆内存与串池中的"ab"是同一个对象，所以以下两条语句打印的都为true
System.out.println(str == st2);
System.out.println(str == str3);
}
}
例2
public class Main {
public static void main(String[] args) {
//此处创建字符串对象"ab"，因为串池中还没有"ab"，所以将其放入串池中
String str3 = "ab";
//"a" "b" 被放入串池中，str则存在于堆内存之中
String str = new String("a") + new String("b");
//此时因为在创建str3时，"ab"已存在与串池中，所以放入失败，但是会返回串池中的"ab"
String str2 = str.intern();
//false
System.out.println(str == str2);
//false
System.out.println(str == str3);
//true
System.out.println(str2 == str3);
}
}
5.5.3intern方法 1.6
调用字符串对象的intern方法，会将该字符串对象尝试放入到串池中
- 如果串池中没有该字符串对象，会将该字符串对象复制一份，再放入到串池中
- 如果有该字符串对象，则放入失败
无论放入是否成功，都会返回串池中的字符串对象
注意：此时无论调用intern方法成功与否，串池中的字符串对象和堆内存中的字符串对象都不是同一个对象
5.6StringTable 垃圾回收
StringTable在内存紧张时，会发生垃圾回收
5.7StringTable调优
-
因为StringTable是由HashTable实现的，所以可以适当增加HashTable桶的个数，来减少字符串放入串池所需要的时间
-XX:StringTableSize=xxxx -
考虑是否需要将字符串对象入池
可以通过intern方法减少重复入池
6、直接内存
- 属于操作系统，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
6.1文件读写流程
使用了DirectBuffer
直接内存是操作系统和Java代码都可以访问的一块区域，无需将代码从系统内存复制到Java堆内存，从而提高了效率
6.2释放原理
直接内存的回收不是通过JVM的垃圾回收来释放的，而是通过unsafe.freeMemory来手动释放
通过
//通过ByteBuffer申请1M的直接内存
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1M);
申请直接内存，但JVM并不能回收直接内存中的内容，它是如何实现回收的呢？
allocateDirect的实现
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}
DirectByteBuffer类
DirectByteBuffer(int cap) { // package-private
super(-1, 0, cap, cap);
boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
int ps = Bits.pageSize();
long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
Bits.reserveMemory(size, cap);
long base = 0;
try {
base = unsafe.allocateMemory(size); //申请内存
} catch (OutOfMemoryError x) {
Bits.unreserveMemory(size, cap);
throw x;
}
unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
if (pa && (base % ps != 0)) {
// Round up to page boundary
address = base + ps - (base & (ps - 1));
} else {
address = base;
}
cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap)); //通过虚引用，来实现直接内存的释放，this为虚引用的实际对象
att = null;
}
这里调用了一个Cleaner的create方法，且后台线程还会对虚引用的对象监测，如果虚引用的实际对象（这里是DirectByteBuffer）被回收以后，就会调用Cleaner的clean方法，来清除直接内存中占用的内存
public void clean() {
if (remove(this)) {
try {
this.thunk.run(); //调用run方法
} catch (final Throwable var2) {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
if (System.err != null) {
(new Error("Cleaner terminated abnormally", var2)).printStackTrace();
}
System.exit(1);
return null;
}
});
}
对应对象的run方法
public void run() {
if (address == 0) {
// Paranoia
return;
}
unsafe.freeMemory(address); //释放直接内存中占用的内存
address = 0;
Bits.unreserveMemory(size, capacity);
}
6.2.1直接内存的回收机制总结
- 使用了Unsafe类来完成直接内存的分配回收，回收需要主动调用freeMemory方法
- ByteBuffer的实现内部使用了Cleaner（虚引用）来检测ByteBuffer。一旦ByteBuffer被垃圾回收，那么会由ReferenceHandler来调用Cleaner的clean方法调用freeMemory来释放内存