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JVM内存结构

林贤钦
2020-05-19 / 0 评论 / 16 点赞 / 1,371 阅读 / 6,059 字
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本文最后更新于 2021-07-01,若内容或图片失效,请留言反馈。部分素材来自网络,若不小心影响到您的利益,请联系我们删除。

JVM内存结构

本文参考来之《深入理解java虚拟机》、 oracle官方文档,这篇的内容主要针对jvm内存结构做一个理解,总结。

JVM结构图

其中,虚拟机栈,程序计数器,本地方法栈是线程隔离的数据区,而方法区,堆,是所有线程共享的数据区

1、程序计数器(私有)

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的 字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里[1],字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器 的值来选取下一条需要执行的字节码指令,它是程序控制流的指示器,分支、循环、跳转、异常处 理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一 个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因 此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

  • 简单来说

    • 记住下一条指令的执行的地址,最左边的数字,可以理解为“地址”
    • 现将第一条指令交给解释器解释,然后将下一条指令的地址–3,放入程序计数器
    • 当第一条指令解释完成后,解释器会去程序计数器中找到下一条指令,再重复上一条的过程
  • 特点

    1、是线程私有的

    2、不会存在内存溢出

2、虚拟机栈(私有)

与程序计数器一样,Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)也是线程私有的,它的生命周期 与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型:每个方法被执行的时候,Java虚拟机都会同步创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

注:局部变量表存放的是编译期可知的各种 基本数据结构对象引用(不同于对象本身)和 retrunAddress类型

  • 简单来说
  1. 每个线程运行时所需要的内存,称为虚拟机栈
  2. 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
  3. 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
  • 以下异常条件与Java虚拟机堆栈相关
  1. 如果线程中的计算所需的Java虚拟机堆栈超出允许的范围,则Java虚拟机将抛出StackOverflowError
  2. 如果可以动态扩展Java虚拟机堆栈,并且尝试进行扩展,但是可以提供足够的内存来实现扩展,或者如果没有足够的内存来为新线程创建初始Java虚拟机堆栈,则Java虚拟机机器抛出一个OutOfMemoryError
  • 三个问题
  1. 垃圾回收是否涉及栈内存?

    不需要,每个方法执行后,都会被弹出栈,自动回收掉

  2. 栈内存分配越大越好吗?

    不是
    分配的越大,因为物理内存一定,会导致线程变少
    分配的更多,只是帮助更多次的递归调用

  3. 方法内的局部变量是否线程安全?

    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

3、本地方法栈(私有)

本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地(Native) 方法服务。

通俗一点来说,就是虚拟机栈执行的是java的 方法,本地方法栈是虚拟机调用C++的写好提供的方法

4、堆(共享)

Java虚拟机具有一个在所有Java虚拟机线程之间共享的。堆是运行时数据区,从中分配所有类实例和数组的内存。堆是在虚拟机启动时创建的。自动存储管理系统(称为垃圾收集器)可以回收对象的堆存储;对象永远不会显式释放, Java堆是垃圾收集器管理的内存区域,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,但在逻辑上它应该被视为连续的。

在《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是:所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配 (实际上由于即时编译、逃逸分析等技术的进步,Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了 。

  • 简单来说

    通过 new 关键字,创建对象都会使用堆内存,而且堆的内容是线程共享的,这就说明堆中的内容不是线程安全的,使用的时候需要考虑线程的安全性,当然这里也有垃圾回收机制的。

  • 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

5、方法区(共享)

方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载 的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然《Java虚拟机规范》中把 方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫作“非堆”(Non-Heap),目的是与Java堆区 分开来。

方法区组成

1 、永久代(JDK8之后被元空间取代):这个区域会存储包括类定义、结构、字段、方法(数据及代码)以及常量在内的类相关数据。

2 、存放数据:方法区存储的是每个class的信息:
(1)类加载器引用(ClassLoader)
(2)运行时常量池:包含所有常量、字段引用、方法引用、属性
(3)字段数据:每个字段的名字、类型(如类的全路径名、类型或接口) 、修饰符(如public、abstract、final)、属性
(4)方法数据:每个方法的名字、返回类型、参数类型(按顺序)、修饰符、属性
(5)方法代码:每个方法的字节码、操作数栈大小、局部变量大小、局部变量表、异常表和每个异常处理的开始位置、结束位置、代码处理在程序计数器中的偏移地址、被捕获的异常类的常量池索引

如下图 在jdk1.8之后,方法区中的永久代改名成为元空间,并且使用的是本地内存,而且将常量池中的StringTable放在了堆空间中

方法区内存溢出

  • 1.8 以前会导致永久代内存溢出

    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

运行时常量池

运行时常量池(Runtime Constant Pool):是方法区的一部分,用于存放编译期生成的各种字面量符号引用。这部分内容在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。 运行时常量池另一个重要特征就是具有动态性。java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生,运行期间也可以将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用的比较多的就是String类的intern()方法

  • 简单来说

    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

StringTable

  1. 常量池中的字符串仅是符号,第一次用到时才变为对象

  2. 利用串池的机制,来避免重复创建字符串对象

  3. 字符串变量拼接的原理是 StringBuilder (1.8)

  4. 字符串常量拼接的原理是编译期优化

  5. 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

面试题:

String s1 = "a"; 
String s2 = "b"; 
String s3 = "a" + "b"; 
String s4 = s1 + s2;
String s5 = "ab";
String s6 = s4.intern(); 
// 问 
System.out.println(s3 == s4);
System.out.println(s3 == s5);
System.out.println(s3 == s6);

String x2 = new String("c") + new String("d"); 
String x1 = "cd"; 
x2.intern(); 
// 问,如果调换了【最后两行代码】的位置呢,如果是jdk1.6呢 
System.out.println(x1 == x2);

结果:

false
true
true
false

分析:

1、s3 == s4 为什么为false,s1,s2,s3是放入了串池中,而String s4 = s1 + s2; 实际上是new StringBuilder().append("a").append("b).toString 相当于new String("ab") new的对象 不是放在串池中

2、s3 == s5 为什么为true,在s1,s2,s3的时候,串池中已经存在a,b,ab,而s5直接能从串池中找到

3、s3 == s6 为什么为true,s4.intern() 将字符串对象尝试放入串池中,如果有则不会放入,没有就放入串池,并把这个对象返回

4、在jdk1.8中如果调换了【最后两行代码】的位置,结果是true,分析和3一样,x2.intern(); 将字符串对象尝试放入串池中,如果有则不会放入,没有就放入串池。如果是jdk1.6 ,会先判断常量池中是否存在当前字符串,不存在就会将当前字符串复制到常量池。并返回常量池中的字符串引用。一个是放入,一个是复制,结果就不一样了

6、直接内存

直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK 1.4中新加入了NIO(New Input/Output)类,引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区 (Buffer)的I/O方式,它可以使用Native函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java堆里面的 DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能,因为避免了 在Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然,本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制,但是,既然是内存,则肯定还是会受到本机总内存的限制

  • 简单来说

    这部分常用于NIO操作,使用直接内存用于数据缓冲区,读写性能高,弊端就是分配回收成本较高,且在这块区域不受JVM内存回收管理。

  • 分配和回收原理

    1. 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
    2. ByteBuffffer 的实现类内部,使用了 Cleaner (虚引用)来监测 ByteBuffffer 对象,一旦ByteBuffffer 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
  • 关于NIO的可以看我另一篇博客Java NIO

常见问题

1、内存结构以及分区,需要详细到每个区放什么。

JVM 分为堆区和栈区,还有方法区,初始化的对象放在堆里面,引用放在栈里面,class 类信息常量池(static 常量和 static 变量)等放在方法区

  • 方法区:主要是存储类信息,常量池(static 常量和 static 变量),编译后的代码(字
    节码)等数据
  • 堆:初始化的对象,成员变量 (那种非 static 的变量),所有的对象实例和数组都要
    在堆上分配
  • 栈:栈的结构是栈帧组成的,调用一个方法就压入一帧,帧上面存储局部变量表,操
    作数栈,方法出口等信息,局部变量表存放的是 8 大基础类型加上一个应用类型,所
    以还是一个指向地址的指针
  • 本地方法栈:主要为 Native 方法服务
  • 程序计数器:记录当前线程执行的行号
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