jvm内存结构详解_jvm内存模型和内存结构[通俗易懂]

jvm内存结构详解_jvm内存模型和内存结构[通俗易懂]1.前言Java虚拟机是中、高级开发人员必须修炼的知识,有着较高的学习门槛,很多人都不情愿去接触它

1. 前言

Java 虚拟机是中、高级开发人员必须修炼的知识,有着较高的学习门槛,很多人都不情愿去接触它。可能是觉得学习成本较高又或者是感觉没什么实用性,所以干脆懒得“搭理”它了。其实这种想法是错误的。举个最简单的例子,JVM 基本上是每家招聘公司都会问到的问题,它们会这么无聊问这些不切实际的问题吗?很显然不是。由 JVM 引发的故障问题,无论在我们开发过程中还是生产环境下都是非常常见的。比如 OutOfMemoryError(OOM) 内存溢出问题,你应该遇到过 Tomcat 容器中加载项目过多导致的 OOM 问题,导致 Web 项目无法启动。这就是JVM引发的故障问题。那到底JVM哪里发生内存溢出了呢?为什么会内存溢出呢?如何监控?最重要的就是如何解决问题呢?能解决问题的技术才是最实用最好的技术。然而你对JVM的内存结构都不清楚,就妄想解决JVM引发的故障问题,是不切实际的。只有基础打好了,对于JVM故障问题才能“披荆斩棘”。本文通过代码与图示详细讲解了JVM内存区域,相信阅读本文之后,你将对JVM内存的堆、栈、方法区等有一个清晰的认知。


2. 运行时数据区

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。每个区域都有各自的作用。

分析 JVM 内存结构,主要就是分析 JVM 运行时数据存储区域。JVM 的运行时数据区主要包括:堆、栈、方法区、程序计数器等。而 JVM 的优化问题主要在线程共享的数据区中:堆、方法区

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2.1 程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器,指向下一个将要执行的指令代码,由执行引擎来读取下一条指令。更确切的说,一个线程的执行,是通过字节码解释器改变当前线程的计数器的值,来获取下一条需要执行的字节码指令,从而确保线程的正确执行

为了确保线程切换后(上下文切换)能恢复到正确的执行位置,每个线程都有一个独立的程序计数器,各个线程的计数器互不影响,独立存储。也就是说程序计数器是线程私有的内存

如果线程执行 Java 方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果执行的是 Native 方法,计数器值为Undefined。

程序计数器不会发生内存溢出(OutOfMemoryError即OOM)问题。


2.2 栈

JVM 中的栈包括 Java 虚拟机栈和本地方法栈,两者的区别就是,Java 虚拟机栈为 JVM 执行 Java 方法服务,本地方法栈则为 JVM 使用到的 Native 方法服务。两者作用是极其相似的,本文主要介绍 Java 虚拟机栈,以下简称栈。

Native 方法是什么?

JDK 中有很多方法是使用 Native 修饰的。Native 方法不是以 Java 语言实现的,而是以本地语言实现的(比如 C 或 C++)。个人理解Native 方法是与操作系统直接交互的。比如通知垃圾收集器进行垃圾回收的代码 System.gc(),就是使用 native 修饰的。

public final class System {
    public static void gc() {
        Runtime.getRuntime().gc();
    }
}

public class Runtime {
    //使用native修饰
     public native void gc();

什么是栈?

定义:限定仅在表头进行插入和删除操作的线性表。即压栈(入栈)和弹栈(出栈)都是对栈顶元素进行操作的。所以栈是后进先出的。

栈是线程私有的,他的生命周期与线程相同。每个线程都会分配一个栈的空间,即每个线程拥有独立的栈空间

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栈中存储的是什么?

栈帧是栈的元素。每个方法在执行时都会创建一个栈帧。栈帧中存储了局部变量表、操作数栈、动态连接和方法出口等信息。每个方法从调用到运行结束的过程,就对应着一个栈帧在栈中压栈到出栈的过程。

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2.2.1 局部变量表

栈帧中,由一个局部变量表存储数据。局部变量表中存储了基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)的局部变量(包括参数)、和对象的引用(String、数组、对象等),但是不存储对象的内容。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

局部变量的容量以变量槽(Variable Slot)为最小单位,每个变量槽最大存储32位的数据类型。对于64位的数据类型(long、double),JVM 会为其分配两个连续的变量槽来存储。以下简称 Slot 。

JVM 通过索引定位的方式使用局部变量表,索引的范围从0开始至局部变量表中最大的 Slot 数量。普通方法与 static 方法在第 0 个槽位的存储有所不同。非 static 方法的第 0 个槽位存储方法所属对象实例的引用。

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Slot 复用?

为了尽可能的节省栈帧空间,局部变量表中的 Slot 是可以复用的。方法中定义的局部变量,其作用域不一定会覆盖整个方法。当方法运行时,如果已经超出了某个变量的作用域,即变量失效了,那这个变量对应的 Slot 就可以交给其他变量使用,也就是所谓的 Slot 复用。通过一个例子来理解变量“失效”。

public void test(boolean flag)
{
    if(flag)
    {
        int a = 66;
    }
    
    int b = 55;
}

当虚拟机运行 test 方法,就会创建一个栈帧,并压入到当前线程的栈中。当运行到 int a = 66时,在当前栈帧的局部变量中创建一个 Slot 存储变量 a,当运行到 int b = 55时,此时已经超出变量 a 的作用域了(变量 a 的作用域在{}所包含的代码块中),此时 a 就失效了,变量a 占用的 Slot 就可以交给b来使用,这就是 Slot 复用。

凡事有利弊。Slot 复用虽然节省了栈帧空间,但是会伴随一些额外的副作用。比如,Slot 的复用会直接影响到系统的垃圾收集行为。

public class TestDemo {

    public static void main(String[] args){
        
        byte[] placeholder = new byte[64 * 1024 * 1024];
        
        System.gc();
    }
}

上段代码很简单,先向内存中填充了 64M 的数据,然后通知虚拟机进行垃圾回收。为了更清晰的查看垃圾回收的过程,我们再虚拟机的运行参数中加上“-verbose:gc”,这个参数的作用就是打印 GC 信息

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打印的GC信息如下:

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可以看到虚拟机没有回收这 64M 内存。为什么没有被回收?其实很好理解,当执行 System.gc() 方法时,变量 placeholder 还在作用域范围之内,虚拟机是不会回收的,它还是“有效”的。

我们对上面的代码稍作修改,使其作用域“失效”。

public class TestDemo {

    public static void main(String[] args){
        {
            byte[] placeholder = new byte[64 * 1024 * 1024];
        }
        System.gc();
    }
}

当运行到 System.gc() 方法时,变量 placeholder 的作用域已经失效了。它已经“无用”了,虚拟机会回收它所占用的内存了吧?

运行结果:

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发现虚拟机还是没有回收 placeholder 变量占用的 64M 内存。为什么所想非所见呢?在解释之前,我们再对代码稍作修改。在System.gc()方法执行之前,加入一个局部变量。

public class TestDemo {

    public static void main(String[] args){
        {
            byte[] placeholder = new byte[64 * 1024 * 1024];
        }
        int a = 0;
        System.gc();
    }
}

在 System.gc() 方法之前,加入 int a = 0,再执行方法,查看垃圾回收情况。

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发现 placeholder 变量占用的64M内存空间被回收了,如果不理解局部变量表的Slot复用,很难理解这种现象的。

而 placeholder 变量能否被回收的关键就在于:局部变量表中的 Slot 是否还存有关于 placeholder 对象的引用。

第一次修改中,限定了 placeholder 的作用域,但之后并没有任何对局部变量表的读写操作,placeholder 变量在局部变量表中占用的Slot没有被其它变量所复用,所以作为 GC Roots 一部分的局部变量表仍然保持着对它的关联。所以 placeholder 变量没有被回收。

第二次修改后,运行到 int a = 0 时,已经超过了 placeholder 变量的作用域,此时 placeholder 在局部变量表中占用的Slot可以交给其他变量使用。而变量a正好复用了 placeholder 占用的 Slot,至此局部变量表中的 Slot 已经没有 placeholder 的引用了,虚拟机就回收了placeholder 占用的 64M 内存空间。


2.2.2 操作数栈

操作数栈是一个后进先出栈。操作数栈的元素可以是任意的Java数据类型。方法刚开始执行时,操作数栈是空的,在方法执行过程中,通过字节码指令对操作数栈进行压栈和出栈的操作。通常进行算数运算的时候是通过操作数栈来进行的又或者是在调用其他方法的时候通过操作数栈进行参数传递。操作数栈可以理解为栈帧中用于计算的临时数据存储区

通过一段代码来了解操作数栈。

public class OperandStack{

    public static int add(int a, int b){
        int c = a + b;
        return c;
    }

    public static void main(String[] args){
        add(100, 98);
    }
}

使用 javap 反编译 OperandStack 后,根据虚拟机指令集,得出操作数栈的运行流程如下:

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add 方法刚开始执行时,操作数栈是空的。当执行 iload_0 时,把局部变量 0 压栈,即 100 入操作数栈。然后执行 iload_1,把局部变量1压栈,即 98 入操作数栈。接着执行 iadd,弹出两个变量(100 和 98 出操作数栈),对 100 和 98 进行求和,然后将结果 198 压栈。然后执行 istore_2,弹出结果(出栈)。

下面通过一张图,对比执行100+98操作,局部变量表和操作数栈的变化情况

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栈中可能出现哪些异常?

StackOverflowError:栈溢出错误

如果一个线程在计算时所需要用到栈大小 > 配置允许最大的栈大小,那么Java虚拟机将抛出 StackOverflowError

OutOfMemoryError:内存不足

 栈进行动态扩展时如果无法申请到足够内存,会抛出 OutOfMemoryError 异常。

如何设置栈参数?

使用 -Xss 设置栈大小,通常几百K就够用了。由于栈是线程私有的,线程数越多,占用栈空间越大

栈决定了函数调用的深度。这也是慎用递归调用的原因。递归调用时,每次调用方法都会创建栈帧并压栈。当调用一定次数之后,所需栈的大小已经超过了虚拟机运行配置的最大栈参数,就会抛出 StackOverflowError 异常。


2.3 Java堆

堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块存储区域。堆内存被所有线程共享。主要存放使用new关键字创建的对象。所有对象实例以及数组都要在堆上分配。垃圾收集器就是根据GC算法,收集堆上对象所占用的内存空间(收集的是对象占用的空间而不是对象本身)

Java堆分为年轻代(Young Generation)和老年代(Old Generation);年轻代又分为伊甸园(Eden)和幸存区(Survivor区);幸存区又分为From Survivor空间和 To Survivor空间。

年轻代存储“新生对象”,我们新创建的对象存储在年轻代中。当年轻内存占满后,会触发Minor GC,清理年轻代内存空间。

老年代存储长期存活的对象和大对象。年轻代中存储的对象,经过多次GC后仍然存活的对象会移动到老年代中进行存储。老年代空间占满后,会触发Full GC

注:Full GC是清理整个堆空间,包括年轻代和老年代。如果Full GC之后,堆中仍然无法存储对象,就会抛出OutOfMemoryError异常。

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Java堆设置常用参数

参数 描述
-Xms 堆内存初始大小
-Xmx(MaxHeapSize) 堆内存最大允许大小,一般不要大于物理内存的80%
-XX:NewSize(-Xns) 年轻代内存初始大小
-XX:MaxNewSize(-Xmn) 年轻代内存最大允许大小,也可以缩写

-XX:NewRatio

新生代和老年代的比值

值为4 表示 新生代:老年代=1:4,即年轻代占堆的1/5

-XX:SurvivorRatio=8

年轻代中Eden区与Survivor区的容量比例值,默认为8

表示两个Survivor :eden=2:8,即一个Survivor占年轻代的1/10

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

内存溢出时,导出堆信息到文件

-XX:+HeapDumpPath

堆Dump路径

-Xmx20m -Xms5m

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

-XX:HeapDumpPath=d:/a.dump

-XX:OnOutOfMemoryError

当发生OOM内存溢出时,执行一个脚本

-XX:OnOutOfMemoryError=D:/tools/jdk1.7_40/bin/printstack.bat %p

%p表示线程的id pid

-XX:MaxTenuringThreshold=7 表示如果在幸存区移动多少次没有被垃圾回收,进入老年代

2.4 方法区(Method Area)

方法区同 Java 堆一样是被所有线程共享的区间,用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。更具体的说,静态变量+常量+类信息(版本、方法、字段等)+运行时常量池存在方法区中。常量池是方法区的一部分

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:JDK1.8 使用元空间 MetaSpace 替代方法区,元空间并不在 JVM中,而是使用本地内存。元空间两个参数:

  1.  MetaSpaceSize:初始化元空间大小,控制发生GC阈值
  2.  MaxMetaspaceSize : 限制元空间大小上限,防止异常占用过多物理内存

常量池中存储编译器生成的各种字面量和符号引用。字面量就是Java中常量的意思。比如文本字符串,final修饰的常量等。方法引用则包括类和接口的全限定名,方法名和描述符,字段名和描述符等。

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常量池有什么用 ?

优点:常量池避免了频繁的创建和销毁对象而影响系统性能,其实现了对象的共享。

举个栗子: Integer 常量池(缓存池),和字符串常量池

Integer常量池:

我们知道 == 基本数据类型比较的是数值,而引用数据类型比较的是内存地址

public void TestIntegerCache()
{
    public static void main(String[] args)
    {
        
        Integer i1 = new Integer(66);
        Integer i2 = new integer(66);
        Integer i3 = 66;
        Integer i4 = 66;
        Integer i5 = 150;
        Integer i6 = 150;
        System.out.println(i1 == i2);//false
        System.out.println(i3 == i4);//true
        System.out.println(i5 == i6);//false
    }
    
}

i1 和 i2 使用 new 关键字,每 new 一次都会在堆上创建一个对象,所以 i1 == i2 为 false。

i3 == i4 为什么是 true 呢?Integer i3 = 66 实际上有一步装箱的操作,即将 int 型的 66 装箱成 Integer,通过 Integer 的 valueOf 方法。

public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

Integer 的 valueOf 方法很简单,它判断变量是否在 IntegerCache 的最小值(-128)和最大值(127)之间,如果在,则返回常量池中的内容,否则 new 一个 Integer 对象。

而 IntegerCache 是 Integer的静态内部类,作用就是将 [-128,127] 之间的数“缓存”在 IntegerCache 类的 cache 数组中,valueOf 方法就是调用常量池的 cache 数组,不过是将 i3、i4 变量引用指向常量池中,没有真正的创建对象。而new Integer(i)则是直接在堆中创建对象。

IntegerCache 类中,包含一个构造方法,三个静态变量:low最小值、high最大值、和Integer数组,还有一个静态代码块。静态代码块的作用就是在 IntegerCache 类加载的时候,对high最大值以及 Integer 数组初始化。也就是说当 IntegerCache 类加载的时候,最大最小值,和 Integer 数组就已经初始化好了。这个 Integer 数组其实就是包含了 -128到127之间的所有值。

IntegerCache 源码

private static class IntegerCache {
        static final int low = -128;//最小值
        static final int high;//最大值
        static final Integer cache[];//缓存数组

        //私有化构造方法,不让别人创建它。单例模式的思想
        private IntegerCache() {}

        //类加载的时候,执行静态代码块。作用是将-128到127之间的数缓冲在cache[]数组中
        static {
            // high value may be configured by property
            int h = 127;
            String integerCacheHighPropValue =
                sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
            if (integerCacheHighPropValue != null) {
                try {
                    int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
                    i = Math.max(i, 127);
                    // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
                    h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
                } catch( NumberFormatException nfe) {
                    // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
                }
            }
            high = h;

            cache = new Integer[(high - low) + 1];//初始化cache数组,根据最大最小值确定
            int j = low;
            for(int k = 0; k < cache.length; k++)//遍历将数据放入cache数组中
                cache[k] = new Integer(j++);

            // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
            assert IntegerCache.high >= 127;
        }

    }

而 i5 == i6 为 false,就是因为 150 不在 Integer 常量池的最大最小值之间【-128,127】,从而 new 了一个对象,所以为 false。

再看一段拆箱的代码。

public static void main(String[] args){
       Integer i1 = new Integer(4);
       Integer i2 = new Integer(6);
       Integer i3 = new Integer(10);
       System.out.print(i3 == i1+i2);//true
    }

由于 i1 和 i2 是 Integer 对象,是不能使用+运算符的。首先 i1 和 i2 进行自动拆箱操作,拆箱成int后再进行数值加法运算。i3 也是拆箱后再与之比较数值是否相等的。所以 i3 == i1+i2 其实是比较的 int 型数值是否相等,所以为true。


String常量池:

String 是由 final 修饰的类,是不可以被继承的。通常有两种方式来创建对象。

//1、
String str = new String("abcd");

//2、
String str = "abcd";

第一种使用 new 创建的对象,存放在堆中。每次调用都会创建一个新的对象。

第二种先在栈上创建一个 String 类的对象引用变量 str,然后通过符号引用去字符串常量池中找有没有 “abcd”,如果没有,则将“abcd”存放到字符串常量池中,并将栈上的 str 变量引用指向常量池中的“abcd”。如果常量池中已经有“abcd”了,则不会再常量池中创建“abcd”,而是直接将 str 引用指向常量池中的“abcd”。

对于 String 类,equals 方法用于比较字符串内容是否相同; == 号用于比较内存地址是否相同,即是否指向同一个对象。通过代码验证上面理论。

public static void main(String[] args){
       String str1 = "abcd";
       String str2 = "abcd";
       System.out.print(str1 == str2);//true
    }

首先在栈上存放变量引用 str1,然后通过符号引用去常量池中找是否有 abcd,没有,则将 abcd 存储在常量池中,然后将 str1 指向常量池的 abcd。当创建 str2 对象,去常量池中发现已经有 abcd 了,就将 str2 引用直接指向 abcd 。所以str1 == str2,指向同一个内存地址

public static void main(String[] args){
       String str1 = new String("abcd");
       String str2 = new String("abcd");
       System.out.print(str1 == str2);//false
    }

str1 和 str2 使用 new 创建对象,分别在堆上创建了不同的对象。两个引用指向堆中两个不同的对象,所以为 false。

关于字符串 + 号连接问题:

对于字符串常量的 + 号连接,在程序编译期,JVM就会将其优化为 + 号连接后的值。所以在编译期其字符串常量的值就确定了

String a = "a1";   
String b = "a" + 1;   
System.out.println((a == b)); //result = true  

String a = "atrue";   
String b = "a" + "true";   
System.out.println((a == b)); //result = true 
 
String a = "a3.4";   
String b = "a" + 3.4;   
System.out.println((a == b)); //result = true 

关于字符串引用 + 号连接问题:

对于字符串引用的 + 号连接问题,由于字符串引用在编译期是无法确定下来的,在程序的运行期动态分配并创建新的地址存储对象

public static void main(String[] args){
       String str1 = "a";
	   String str2 = "ab";
	   String str3 = str1 + "b";
	   System.out.print(str2 == str3);//false
    }

对于上边代码,str3 等于 str1 引用 + 字符串常量“b”,在编译期无法确定,在运行期动态的分配并将连接后的新地址赋给 str3,所以 str2 和 str3 引用的内存地址不同,所以 str2 == str3 结果为 false

通过 jad 反编译工具,分析上述代码到底做了什么。编译指令如下:

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经过 jad 反编译工具反编译代码后,代码如下

public class TestDemo
{

    public TestDemo()
    {
    }

    public static void main(String args[])
    {
        String s = "a";
        String s1 = "ab";
        String s2 = (new StringBuilder()).append(s).append("b").toString();
        System.out.print(s1 = s2);
    }
}

发现 new 了一个 StringBuilder 对象,然后使用 append 方法优化了 + 操作符。new 在堆上创建对象,而 String s1=“ab”则是在常量池中创建对象,两个应用所指向的内存地址是不同的,所以 s1 == s2 结果为 false。

:我们已经知道了字符串引用的 + 号连接问题,其实是在运行期间创建一个 StringBuilder 对象,使用其 append 方法将字符串连接起来。这个也是我们开发中需要注意的一个问题,就是尽量不要在 for 循环中使用 + 号来操作字符串。看下面一段代码:

public static void main(String[] args){
        String s = null;
        for(int i = 0; i < 100; i++){
            s = s + "a";
        }
    }

在 for 循环中使用 + 连接字符串,每循环一次,就会新建 StringBuilder 对象,append 后就“抛弃”了它。如果我们在循环外创建StringBuilder 对象,然后在循环中使用 append 方法追加字符串,就可以节省 n-1 次创建和销毁对象的时间。所以在循环中连接字符串,一般使用 StringBuilder 或者 StringBuffer,而不是使用 + 号操作。

public static void main(String[] args){
        StringBuilder s = new StringBuilder();
        for(int i = 0; i < 100; i++){
            s.append("a");
        }
    }

使用final修饰的字符串

public static void main(String[] args){
        final String str1 = "a";
        String str2 = "ab";
        String str3 = str1 + "b";
        System.out.print(str2 == str3);//true
    }

final 修饰的变量是一个常量,编译期就能确定其值。所以 str1 + “b”就等同于 “a” + “b”,所以结果是 true。

String对象的intern方法。

public static void main(String[] args){
        String s = "ab";
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = s1 + s2;
        System.out.println(s3 == s);//false
        System.out.println(s3.intern() == s);//true
    }

通过前面学习我们知道,s1+s2 实际上在堆上 new 了一个 StringBuilder 对象,而 s 在常量池中创建对象 “ab”,所以 s3 == s 为 false。但是 s3 调用 intern 方法,返回的是s3的内容(ab)在常量池中的地址值。所以 s3.intern() == s 结果为 true。


参考《深入理解Java虚拟机》

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