JVM——引言+JVM内存结构

引言

什么是JVM

定义:

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

好处:

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

比较:

jvm jre jdk

学习jvm的作用

• 面试
• 理解底层实现原理
• 中高级程序员的必备技能

常见的jvm

自己百度查找

jvm的组成

 内存结构

程序计数器

定义

Program Counter Register 程序计数器(寄存器)

作用

如下图所示

右边就是简单的java代码打印操作，编译成左侧的二进制字节码。

经过解释器——>机器码——>CPU执行。

程序计数器在这里面的作用就是记住下一条jvm指令的执行地址。

第一条指令地址是0，第一条指令交给解释器去执行的同时会把第二条指令的地址3放入程序计数器。第一条执行完之后，解释器会去取出3来执行......

物理实现: 通过CPU中寄存器(速度快)实现

 特点:

线程私有

每个线程都有自己的程序计数器。

每一个线程会有被分配一个时间片，在当前时间片内不能执行完会去执行别的线程的代码，直到轮到下一个时间片。

切换到别的线程时要记住当前执行到哪里，还是要用到程序计数器。通过私有的程序计数器知道下一行代码的地址。

 唯一不会存在内存溢出的区

虚拟机栈

栈是一种普通的先进后出的数据结构。

java的虚拟机栈则是线程运行需要的内存空间。

一段代码有多个方法组成，一个栈帧表示一次方法的调用，栈帧就是每个方法运行需要的内存。

运行:调用第一个方法时会给第一个方法划分一个栈帧空间，并压入栈内，执行完后会出栈，也会释放该方法占用的内存。

然后方法1调用方法2时会产生一个方法2的栈帧并入栈，然后方法2调用方法3也会产生并入栈，如下图所示。

 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
• 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 

栈帧大小由方法里的参数以及局部变量的个数决定 

问题辨析

1.垃圾回收是否涉及栈内存?

   栈内存是一次次方法调用产生的栈帧内存，调用结束后会弹出栈，会自动回收，不需要垃圾回收     管理，垃圾回收是回收堆内存中的无用对象。

2.栈内存分配越大越好吗?

运行java代码时是可以指定栈内存大小的，使用-Xss size，下图还有不同系统下默认栈内存的大小和设定内存的示例。

栈内存越大会让线程数变少，512mb的物理内存下，每个线程的栈内存设置1mb大小可以运行512个，设置2mb大小可以运行256个线程。不会提高线程效率，但可以增加递归的层数。

        

3.方法内的局部变量是否线程安全?

        根据该变量是每个线程共享还是线程私有判断。下图是一个方法，方法内有一个局部变量。

该方法被调用两次时会有两个不同的栈。每个线程都会有私有的局部变量。因此这里不会有线程干扰的问题。

 假如将x改为static int x=0;的话就会出现线程干扰，如果不加保护的话会有线程安全问题。

总结：共享需要考虑线程安全，私有就不需要考虑。

• 如果方法内的局部变量没有逃离方法的作用范围，则是线程安全。
• 如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用方法，需要考虑线程安全（引用传递和值传递的问题）

栈内存溢出

• 栈帧过多导致栈内存溢出（栈帧过多爆栈）  :  通常在的递归导致。
• 单片栈帧过大导致栈内存溢出（太大了，已经塞满了）

 一般不会有单片过大，栈帧里都是方法参数和局部变量。可以通过设置栈内存大小达到

 在将对象转换成json对象时也会有栈溢出，这种两个类的循环问题会导致json解释器出现问题。

 可以通过一个@JsonIgnore注解达到在json转换对象时忽略变量的效果。 

 

线程运行诊断

案例1: cpu 占用过多

 linux环境下运行一段java代码导致cpu占用过高，可以使用top命令定位到哪一个进程占用，但看不见是哪一个线程导致的。

在linux下使用ps H -eo pid,tid,%cpu 命令可以看见所有线程的pid(进程号),tid(线程号)，%cpu（cpu占用）。

使用ps H -eo pid,tid,%cpu | grep 32655   后面加上| grep pid过滤无关进程的线程。

• 用top定位哪个进程对cpu的占用过高
• ps H -eo pid,tid,%cpu | grep pid (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)

生产环境不推荐jstack，因为打印线程信息jvm会暂停其他线程 

然后将线程编号32665转换成16进制(7F99)在输出内容中查找 

 在jstack 输出内容中可以看见一个nid=Ox7f99的线程，状态为RUNNABLE.

看见问题出在第8行代码。如下图源码第8行是个死循环。

 nid、pid 和 tid 是计算机系统中常用的三个标识

• nid (Node ID) 是指在分布式系统中，每个节点的唯一标识
• pid (Process ID) 是指操作系统中每个进程的唯一标识。
• tid (Thread ID) 是指操作系统中每个线程的唯一标识。

案例2: 程序运行很长时间没有结果

线程死锁导致的无结果下使用jstack命令查看，下输出内容最后可以看见有关死锁信息。

 两个线程都想获得a，b,但是都在等对方放开拥有的对象，然后陷入死锁。

产生死锁的四个必要条件：互斥、不可剥夺、请求和保持、循环等待。

本地方法栈

定义:    java虚拟机在调用本地方法时需要给本地方法提供的内存空间

在Object这个类中就有很多，比如Object的clone方法的声明是native，这个native的实现是c/c++，java代码是间接调用native

 

堆

定义

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 (不再被引用的对象会被回收) 

堆内存溢出

下图所示方法中String类型的对象a会一次次变大，直至堆溢出。

 运行结果:  溢出内存错误: java 堆 空间

使用-Xmx size改变堆空间大小。

 

 修改前26次才溢出，修改后17次溢出。

有可能堆内存较大，运行时间短，在系统前期看不出问题，后期才会爆掉，故测试时可以将堆内存设置较小进行排查。

堆内存诊断

相关工具:

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 (只能看某一瞬间的情况)

3.jconsole 工具 

        图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测

4.jvisualVM 工具

        图形化界面，可以抓取当前快照 

案例1

 new一个10MB的数组对象，后面置为null,然后gc显式回收。

运行后通过jps查看进程id,jmap -heap 18756在1~2,2~3，3之后三个时间点抓取快照信息。 

最大堆内存占用MaxHeapSize是4个G 

 

Eden Space就是专门为new 出来的对象准备的。 

 1~2之间

数组创建之前使用了6Mb

 2~3之间

创建数组对象之后使用16mb,

 3之后

垃圾回收之后变成1.2mb

使用jconsole工具的界面。

 案例2

垃圾回收之后，内存占用任然很高。

新生代被回收了，老年代没有被回收。

 新生代剩8mb

 老年代剩200mb

使用新的工具jvisualvm可视化虚拟机

 

保存快照之后进行查找最大的类 

 查看最大的ArrayList实例的具体信息

 源代码

两百个Student对象，每个都开了一个1mb大小的byte数组。并且一直在作用范围内，无法回收，内存占用居高不下。

 通过可视化界面的堆 dump按钮进行排查。 

方法区

定义

按照jdk_jvm_1.8中的定义

• 方法区是所有java虚拟区线程共享的区域。
• 存储了和类的结构相关的信息。
• 有成员变量filed,method data方法数据，成员方法、构造器方法的代码以及运行时常量值run-time constant pool等等
• 在虚拟机启动时被创建
• 逻辑上是堆的组成部分（1.8以前用的堆内存，1.8以后用的是系统内存）
• 方法区也会导致内存溢出

组成

永久代和元空间都是方法区这个概念的实现。

永久代和元空间最本质的区别就是 前者使用的是jvm内存 后者使用的是操作系统内存。

图中常量池是运行时常量池。

 方法区内存溢出

• 1.8 以前会导致永久代内存溢出
• 1.8 之后会导致元空间内存溢出

下图代码就是一个加载了10000个类的代码，最外层继承实现了类加载器，在循环内指定版本号，类名，包名，父类，接口等信息创建一个新类。

这里元空间和永久代都没有设置上限，这里需要设置元空间和永久代大小。

-XX:MaxMetaspaceSize=8m  元空间

-XX:MaxPermSize=8m  永久代

元空间运行报异常 

 永久代报异常

 场景:

• spring
• mybatis

spring和mybatis都使用到了cglib技术。

运行时常量池

下面的这段代码的二进制字节码含有如下信息。 

使用如下命令查看该代码反编译后的结果

javap -v HelloWorld.class

常量池部分

 虚拟机指令部分

执行指令时下面第一条就是获取静态变量，#2在常量池里面找。

ldc是找到一个引用地址。

 定义:

• 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

 运行时常量池里面#1，#2...这些会变成内存地址。