Java Virtual Machine - java 程序的运行环境（java 二进制字节码的运行环境）

一、内存结构

• 程序计数器
• 虚拟机栈
• 本地方法栈
• 堆
• 方法区

1. 程序计数器

1.1 定义

Program Counter Register 程序计数器（寄存器）

1.2 作用

        二进制字节码       jvm指令         java源代码
		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

拿到指令 --> 解释器转为机器码 --> 机器码给CPU

• 作用：是记住下一条jvm指令的执行地址

• 特点：

  1. 是线程私有的

  ​ 假如现在有一本书，有好几个同学都想看，我们采取这样的策略让所有同学都能看到：每个人看一天，不管看没看完都要交给下一个人看，不断循环，直到所有人看完。每个同学都有一个小卡片记录自己看到了哪里，这样下次轮到自己看的时候就能快速的接着上次看到的地方继续看。

  ​ Java虚拟机中多线程采用时间片轮转的方式实现，一个处理器（如果是多核处理器就是一个内核）同一时间只能被一个线程使用，同一时间只能执行一个线程的指令，当时间片用完，处理器就要交给别的线程使用，为了下一次轮到自己使用处理器是能够接着执行现在的指令，使用一个计数器来记录。

  2. 不会存在内存溢出

2. 虚拟机栈

2.1 定义

Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）

• 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈
• 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
  • 栈帧：参数、局部变量、返回地址
• 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

演示栈帧

public class Demo1_1 {

    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

1. 垃圾回收是否涉及栈内存？不需要垃圾回收栈内存。
2. 栈内存分配越大越好吗？不是，分配的越大，可以更多次的递归方法调用，但会使线程的数目变少。（一般使用系统默认大小）
3. 方法内的局部变量是否线程安全？是，每一个线程会有自己的一个栈帧，局部变量互不影响。如果是static成员变量、成员变量或者形参，其他线程可能会访问到他，则会产生影响，线程不安全

• 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
• 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

2.2 栈内存溢出

java.lang.StackOverflowError

• 栈帧过多导致栈内存溢出（递归、第三方库）
  • -Xss：设置线程栈的大小
• 栈帧过大导致栈内存溢出

2.3 线程运行诊断

案例1： cpu 占用过多

定位

• 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
  • 可以根据线程id 找到有问题的线程（进程id为10进制，jstack为16进制），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

3. 本地方法栈

本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈，均具有线程隔离的特点以及都能抛出StackOverflowError和

OutOfMemoryError异常。

不同的是，本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法，而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法。

4. 堆

4.1 定义

​ Heap 堆

• 通过 new 关键字，创建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

4.2 堆内存溢出 ( -Xmx8m 堆最大值)

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

4.3 堆内存诊断

1. jps 工具

   查看当前系统中有哪些 java 进程

2. jmap 工具

   查看堆内存占用情况 jmap - heap 进程id

3. jconsole 工具

   图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测

更好用的（堆转储dump）：jvisualvm

5. 方法区

1.8之前 永久代 使用堆内存

1.8之后 元空间 使用操作系统空间

5.1 定义

5.2 组成

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

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

5.5 StringTable

先看几道面试题：

String s1 = "a";
String s2 = "b"; 
String s3 = "a" + "b";  //常量池：ab
String s4 = s1 + s2;  // 堆：new String("ab");
String s5 = "ab";
String s6 = s4.intern();    // 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， 都会把串池中的对象返回
// https://zhuanlan.zhihu.com/p/55468381   intern()
// 问
System.out.println(s3 == s4);   // false s3是在常量池中的，s4是在堆中的
System.out.println(s3 == s5);   // true  都在常量池中
System.out.println(s3 == s6);   // true  都在常量池中
String x2 = new String("c") + new String("d");  
String x1 = "cd";  
x2.intern();  // 没有做任何操作，如果取返回值比较，则为true
// 问，如果调换了【最后两行代码】的位置呢，如果是jdk1.6呢 // true,在常量cd进入常量池之前创建cd常量
// 1.6 的话，则会复制一份放入常量池，x2 == x1 false
System.out.println(x1 == x2);  // false

5.6 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

5.7 StringTable 位置

 * 演示 StringTable 位置
 * 在jdk8下设置 -Xmx10m -XX:-UseGCOverheadLimit  //  在堆空间下
 * 在jdk6下设置 -XX:MaxPermSize=10m   //  在永久代里面

5.8 StringTable 垃圾回收

-Xmx10m -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc

5.9 StringTable 性能调优

• 调整 -XX:StringTableSize=桶个数

• 考虑将字符串对象是否入池

6. 直接内存

操作系统的内存

6.1 定义

Direct Memory

• 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

6.2 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

-XX:+DisableExplicitGC 禁用显式的调用System.gc();

此时需要释放直接内存时，则需要unsafe来直接管理内存