引言

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

优点

• 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

jvm, jre, jdk之间的区别：

JVM整体结构：

JVM 内存结构

JVM 内存结构主要包括：

• 程序计数器（PC Register）
• 虚拟机栈（JVM Stacks）
• 本地方法栈（Native Method Stacks）
• 堆（Heap）
• 方法区（Method Area）

一、程序计数器（PC Register）

含义：Program Counter Register 程序计数器（寄存器）

作用：记住下一条指令的执行地址。现实中程序往往是多线程协作完成任务的。JVM的多线程是通过CPU时间片轮转来实现的，某个线程在执行的过程中可能会因为时间片耗尽而挂起。当它再次获取时间片时，需要从挂起的地方继续执行。在JVM中，通过程序计数器来记录程序的字节码执行位置。程序计数器具有线程隔离性，每个线程拥有自己的程序计数器。

特点：

• 程序计数器具有线程隔离性
• 不会存在内存溢出的问题，是java虚拟机规范中唯一一个没有规定任何OutofMemeryError的区域
• 程序计数器占用的内存空间非常小，可以忽略不计
• 执行native本地方法时，程序计数器的值为空。原因是native方法是java通过jni调用本地C/C++库来实现，非java字节码实现，所以无法统计

二、虚拟机栈（JVM Stacks）

定义

含义：Java Virtual Machine Stacks（Java虚拟机栈）

• Java线程运行时所需要的内存成为虚拟机栈
• 每个栈中可以放入多个栈帧(Frame)，栈帧用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接方法出口等信息。
• 每一个方法被调用到执行完毕的过程，就对应着一个栈桢在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程
• 每个线程在一个时刻只能有一个活动的栈桢，对应着栈顶那个正在执行的方法

问题：

1、垃圾回收是否涉及虚拟机栈？

答：不涉及，虚拟机栈是每个线程自己使用的内存空间，不需要GC管理。

2、栈内存是否越大越好？

答：不是。虽然栈内存越大调用深度就可以越深，但是由于每个线程对应一个栈内存，则栈内存越大可分配的线程就越少。

3、方法内的局部变量是否是线程安全的？

答：如果方法内的局部变量没有逃脱他的作用范围，则它是线程安全的。如果局部变量引用了对象，并且逃离了方法的作用范围，则需要考虑线程安全问题。

异常：

• 如果线程请求栈的深度大于虚拟机所允许的深度，则抛出StackOverflowError异常
• 如果Java虚拟机栈的容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemory异常

栈内存溢出（java.lang.StackOverflowError）

出现的原因：

• 调用深度过多导致的栈桢过多超出栈内存溢出

• 方法中过多的本地变量导致的栈桢多大而引发的栈内存溢出

线程运行诊断

案例一：CPU占用过多

定位方法

• 在linux系统下使用top命令定位哪个进程对cpu的占用高
• 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

• 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

案例二：程序运行很长时间没有结果

使用 jstack 进程id 查看运行的相关信息：

三、本地方法栈

• 本地方法栈是指为虚拟机使用到本地（Native）方法（比如调用C语言的方法）服务。
• 本地方法栈也会在栈溢出或者栈扩展失败时分别抛出：StackOverflowError异常和OutOfMemory异常

四、Java堆

定义：

Java堆是被所有线程共享的内存区域，所有对象实例以及数组（通过new关键字创建的）都应该在堆上分配。

特点：

• 所有线程共享的，堆中所有对象都应该考虑线程安全问题
• 有垃圾回收机制
• 如果从内存分配的角度来看，所有线程贡献的Java堆可以划分为多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）

堆内存溢出

如果在Java堆中没有内存完成实力分配，并且堆无法再扩展时，Java虚拟机会抛出OutOfMemory异常

其中可以使用-Xmx和-Xms设置堆的最大内存和最小内存。

堆内存诊断

内存诊断工具：

• jps工具：查看当前系统中有哪些java进程

• jmap工具：查看堆内存的占用情况

• jconsole工具：具有图形界面，多功能的检测工具，可以连续监测
  

• jvirsualvm：可以查看堆中各个对象占用内存的大小

五、方法区

定义：

方法区是各个线程共享的内存区域，它用于存储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。

• 方法区是线程共享的

• 如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemory异常

• JDK8之前，hotspot使用永久代来实现方法区，使得垃圾收集器可以像管理堆一样管理方法区，省区了专门编写内存管理代码的工作

• JDK8及之后在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替了永久代

方法区内存溢出问题

方法区内存溢出的主要原因是加载的类过多导致超出内存空间

• jdk8 之前会导致永久代内存溢出

// 报错：java.lang.OutOfMemory: PremGen space
// 参数：-XX:MaxPremSize=8M

• jdk8 之后会导致元空间内存溢出

// 报错：java.lang.OutOfMemory: Metaspace space
// 参数：-XX:MaxMetaspaceSize=8M

问题产生的场景：当前许多主流的框架，如Spring、MyBatis对类进行增强时，都会使用CGLib这类字节码技术，当增强的类越多，就需要越大的方法区空间来保证动态生成的新类型可以载入内存。

运行时常量池

常量池：就是一张表，虚拟机执行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，并把里边的符号地址变为真实地址。

StringTable串池★

StringTable是运行时一个用于存储String常量的HashTable结构区域，不能够扩容。

StringTable串池特性

• 常量池中的字符串仅仅是符号，第一次用到时才会变为对象
• 利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象
• 字符串变量的拼接原理是StringBuilder（如上图所示），toString()方法实际上new String(‘a’)新对象
• 字符串常量的拼接原理是编译期优化
• 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版本中，intern方法尝试将字符串对象放入串池中，如果有则不会放入，如果没有则将其放入串池中，并将在串池中的该对象返回
  • 1.6版本中，intern方法尝试将字符串对象放入串池中，如果有则不会放入，如果没有则将它的拷贝放入串池中，并将在串池中的拷贝对象

试题：

• 1.6版本下：位于永久代

• 1.8版本下：位于堆中

• 调整的原因：因为永久代触发GC的条件比较严格，而由于一般程序中都存在大量的过期无用字符串常量导致StringTable十分臃肿并且不能及时进行垃圾回收，所以1.8版本之后将其放在堆中

验证其存放位置从永久代(PermGen)到堆（Heap）的转变方法：不断创建具有引用的字符串常量，看哪个区域报OutOfMemory错误。代码如下：

/**
 * 测试StringTable所在的位置
 * //当使用UseGCOverheadLimit时，如果GC占用了98%的时间，但是只释放了2%的空间，则报此错误。
 * //这里没有使用(-号表示不使用，+号表示使用)
 * 1.8：-Xmx10m -XX:-UseGCOverheadLimit
 * 1.6: -XX:MaxPermSize=10m
 */
public class StringTableLocationTest {

    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int j = 0;
        try {
            for (int i = 0; i < 300000; i++) {
                //将j转化为字符串并放入StringTable中，再将返回的对象引用放入list
                list.add(String.valueOf(j).intern());
                j++;
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(j);
        }
    }
}

1.8版本的结果：

1.6版本结果

StringTable垃圾回收

测试代码

/**
 * 串池GC测试
 * 最大堆内存为10m     打印串池统计信息             打印垃圾回收的详细信息：次数、时间等
 * -Xmx10m       -XX:+PrintStringTableStatistics -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
 */
public class StringTableGCTest {

    public static void main(String[] args) {
        int j = 0;
        try {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                String.valueOf(j).intern();
                j++;
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(j);
        }
    }

}

当没有在串池中加入字符串常量时，串池中总的字符串个数为1754。并且没有发生GC。

当试图在串池中加入10000字符串常量时，串池中总的字符串个数为7226，只增加了5000多个，因为在这个过程中发生了GC。

StringTable调优★

• 如果应用中存在大量的字符串，而且这些字符串中存在大量的重复，那么就可以使用String::intern方法将字符串放入串池，减小字符串对象的个数，进而减少字符串对内存的消耗。

• 调整 -XX:StringTableSize=桶的个数。StringTable内部采用HashTable的形式进行存储，当HashTable桶的个数非常小时，容易产生哈希冲突，减慢StringTable的存取速度。通过StringTableSize参数可以调整HashTable桶的个数，默认为60013个。

六、直接内存

定义

本机系统中的内存

• 常见于NIO操作时，用于数据缓冲区
• 分配回收成本较高，但是读写性能高
• 由于不是JVM运行时数据区的一部分，所以不受JVM垃圾回收机制的影响

直接内存的底层原理

java要读取大文件，首先CPU要切换到内核态，然后调用Native方法将磁盘文件先读入到系统缓存区，然后从系统缓冲区复制到java缓冲区，过程中需要两次复制。

而使用直接内存之后，可以在系统内存中分配一块区域用于存储磁盘文件，并且Java中也可使用DirectByteBuffer作为这块内存的引用进行操作，这样就能在一些场景中显出提升性能。

直接内存溢出

如果直接内存中存储的数据过大也会导致OutOfMemory异常：

直接内存分配和回收原理

• 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DirectByteBuffer内部使用了Cleaner（虚引用）来检测ByteBuffer对象，一旦ByteBuffer对象被垃圾回收，那么就会由ReferenceHandler线程通过Cleanr的clean方法调用freeMemory方法释放直接内存。

当直接内存使用较多，而且使用-XX:DisableExplicitGC禁用掉代码中System.gc()时，建议直接使用Unsafe对象对直接内存进行管理，示例代码如下：