JVM内存结构

一、程序计数器

二进制字节码（JVM指令）-> 解释器 -> 机器码 -> CPU
Program Counter Register 程序计数器（寄存器）

1.作用

记住下一条jvm指令的执行地址

2.特点

• 是线程私有的：每个线程都有自己的程序计数器
• 不会存在内存溢出

二、虚拟机栈

虚拟机栈：每个线程运行时所需要的内存
栈帧：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
活动栈帧：对应着当前正在执行的那个方法，每个线程只能有一个

1.回收

垃圾回收不涉及栈内存，方法结束了自动回收

2.栈内存分配

-Xss1025k
linux默认1024kb
栈内存分配得越大，那线程数就会越少

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

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(4);
        sb.append(5);
        sb.append(6);
        new Thread(()->{
            m2(sb);
        }).start();
    }

    /**
     * 线程安全
     */
    public static void m1() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    }

    /**
     * 线程不安全，参数是外部的
     * @param sb
     */
    public static void m2(StringBuilder sb) {
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    }

    /**
     * 线程不安全，返回值是外部的
     * @return
     */
    public static StringBuilder m3() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        return sb;
    }
}

4.栈内存溢出

• 栈帧过多导致栈内存溢出
• 栈帧过大导致栈内存溢出

public class Demo1 {
    private static int count;
    public static void main(String[] args) {
        try {
            method1();
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println(count);
        }
    }

    private static void method1() {
        count++;
        method1();
    }
}

运行诊断：

• 用top定位哪个进程对cpu的占用过高
• 用ps命令进一步定位是哪个线程引起的cpu占用过高：ps H -eo pid,tid,%cpu | grep 进程id（线程编号为十进制）
• 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：jstack 进程id（线程编号十六进制）

三、本地方法栈

给本地方法运行提供的内存空间，用native修饰的方法（C/C++编写）。

protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;

线程私有

四、堆

1.定义

通过 new 关键字，创建对象都会使用堆内存

特点：

• 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

2.堆内存溢出

设置堆空间：-Xmx
设置为8m：-Xmx8m

/**
 * 演示堆内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
 * -Xmx8m
 */
public class HeapTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            List<String> list = new ArrayList<>();
            String a = "hello";
            while (true) {
                list.add(a); // hello, hellohello, hellohellohellohello ...
                a = a + a;  // hellohellohellohello
                i++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println(i);
        }
    }
}

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:124)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:448)
    at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:136)
    at jvm.heap.HeapTest.main(HeapTest.java:19)
27

3.堆内存诊断

• jps 工具：查看当前系统中有哪些 java 进程
• jmap 工具：查看堆内存占用情况 jmap - heap 进程id
• jconsole 工具：图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测
• jvisualvm

hongcaixia@hongcaixiadeMacBook-Pro visibility % jps
16784 
8658 Launcher
8659 HeapMonitor
41622 Launcher
8711 Jps
67193 RemoteMavenServer36
67208 RemoteMavenServer36
28458 Launcher
91898 Launcher
5483 Launcher
67247 RemoteMavenServer36
67230 RemoteMavenServer36
hongcaixia@hongcaixiadeMacBook-Pro visibility % jmap - heap 8659

hongcaixia@hongcaixiadeMacBook-Pro heap % jconsole

jconsole.png

jvisualvm.png

堆dump：把堆这一刻的信息截取下来：

/**
 * 演示查看对象个数 堆转储 dump
 */
public class HeapAnalysis {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Student> students = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            students.add(new Student());
//            Student student = new Student();
        }
        Thread.sleep(1000000000L);
    }
}

class Student {
    private byte[] big = new byte[1024*1024];
}

五、方法区

1.定义

线程共享的，存储了与类结构相关的信息，包括类成员变量，方法数据，成员方法，构造器，运行时常量池等。

方法区在虚拟机启动时被创建，逻辑上是堆的组成部分；
方法区如果申请内存发现不够，也会导致内存溢出。

方法区是一种规范，具体的实现是永久代（使用的是JVM内存）和元空间（使用操作系统内存）；不同厂商实现方式不同

2.结构

方法区不同实现.png

3.方法区内存溢出

• 1.8 以前会导致永久代内存溢出：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
• 1.8 之后会导致元空间内存溢出：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

设置元空间大小：-XX:MaxMetaspaceSize
-XX:MaxMetaspaceSize=8m

设置永久代大小：-XX:MaxPermSize=8m

/**
 * 演示元空间内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
 * -XX:MaxMetaspaceSize=8m
 */
public class MetaspaceTest extends ClassLoader { // 可以用来加载类的二进制字节码
    public static void main(String[] args) {
        int j = 0;
        try {
            MetaspaceTest test = new MetaspaceTest();
            for (int i = 0; i < 10000; i++, j++) {
                // ClassWriter 作用是生成类的二进制字节码
                ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
                // 版本号， public， 类名, 包名, 父类， 接口
                cw.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);
                // 返回 byte[]
                byte[] code = cw.toByteArray();
                // 执行了类的加载
                test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length); // Class 对象
            }
        } finally {
            System.out.println(j);
        }
    }
}

3331
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Compressed class space
    at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:756)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:635)
    at jvm.metaspace.MetaspaceTest.main(MetaspaceTest.java:23)

/**
 * 演示永久代内存溢出  java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
 * -XX:MaxPermSize=8m
 */
public class PermTest extends ClassLoader {
    public static void main(String[] args) {
        int j = 0;
        try {
            PermTest test = new PermTest();
            for (int i = 0; i < 20000; i++, j++) {
                ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
                cw.visit(Opcodes.V1_6, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);
                byte[] code = cw.toByteArray();
                test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length);
            }
        } finally {
            System.out.println(j);
        }
    }
}

六、运行时常量池

1.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(字符串，整数，布尔类型)等信息（给指令提供常量符号）

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello,world");
    }
}

hongcaixia@hongcaixiadeMacBook-Pro stringtable % javap -v HelloWorld.class
//=======================类的基本信息 start======================
Classfile /Users/hongcaixia/Documents/work/workspace/demo/target/classes/jvm/stringtable/HelloWorld.class
  Last modified 2023-12-13; size 595 bytes
  MD5 checksum b14eeec9676254a3a5f592e00cf1266c
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class jvm.stringtable.HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
//=======================类的基本信息 end=======================

//=======================常量池 start=======================
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#21         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #22.#23        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #24            // hello,world
   #4 = Methodref          #25.#26        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #27            // jvm/stringtable/HelloWorld
   #6 = Class              #28            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Ljvm/stringtable/HelloWorld;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               MethodParameters
  #19 = Utf8               SourceFile
  #20 = Utf8               HelloWorld.java
  #21 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #22 = Class              #29            // java/lang/System
  #23 = NameAndType        #30:#31        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #24 = Utf8               hello,world
  #25 = Class              #32            // java/io/PrintStream
  #26 = NameAndType        #33:#34        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #27 = Utf8               jvm/stringtable/HelloWorld
  #28 = Utf8               java/lang/Object
  #29 = Utf8               java/lang/System
  #30 = Utf8               out
  #31 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #32 = Utf8               java/io/PrintStream
  #33 = Utf8               println
  #34 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
//=======================常量池 end=======================

//=======================类方法定义 start=======================
{
  public jvm.stringtable.HelloWorld();  //类的无参构造
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 11: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Ljvm/stringtable/HelloWorld;

  public static void main(java.lang.String[]); //main方法
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
// ================虚拟机指令 start================
         0: getstatic     #2                  // 获取一个静态变量 Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 
         3: ldc           #3                  // 加载参数 String hello,world
         5: invokevirtual #4                  //  执行虚方法调用println Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
// ================虚拟机指令 end================

         8: return
      LineNumberTable:
        line 14: 0
        line 15: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      args
}
SourceFile: "HelloWorld.java"
hongcaixia@hongcaixiadeMacBook-Pro stringtable % 

解析虚拟机指令：

0: getstatic     #2                  // 获取一个静态变量 Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 
3: ldc           #3                  // 加载参数 String hello,world
5: invokevirtual #4                  //  执行虚方法调用println Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

查表翻译：

• #2 对应 Constant pool中的 #2 = Fieldref #22.#23
• #22 对应 #22 = Class #29
• #23 对应 #23 = NameAndType #30:#31
• #29 对应 #29 = Utf8 java/lang/System
• 以此类推...

2.运行时常量池

运行时常量池，常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载到内存时，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。