【JVM】- 内存结构

引言

JVM：Java Virtual Machine

• 定义：Java虚拟机，Java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，垃圾回收的功能
  • 数组下标越界检查（会抛异常，不会覆盖到其他代码）
  • 多态
• 比较：
  

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内存结构

程序计数器（Program Counter Register）

作用：记住下一条JVM的机制
特点：
- 线程私有的
- 不会存在内存溢出

虚拟机栈

定义：

• 每个线程运行所需要的内存；
• 每个栈由多个栈帧组成，对应每次方法调用所占的内存；
• 每个线程只有一个活动栈帧，对应每次方法调用所占用的内存

垃圾回收只设计堆内存中的无用对象，不涉及栈内存。
栈内存的分配可以通过-Xss来设置，并不是越大越好。
方法内的局部变量不一定是线程安全的：

• 如果这个局部变量没有逃离方法的作用范围，则他是线程安全的
• 如果局部变量引用了对象，并逃离了方法的作用范围，则需要考虑线程安全

栈内存溢出：

• 栈帧过多导致栈内存溢出：递归调用
• 栈帧过大导致栈内存溢出

本地方法栈

本地方法使用的内存就是本地方法栈（由C、C++代码写的方法）

堆

通过new关键字创建的对象都会使用堆内存

特点：

• 是线程共享的，堆中的对象都要考虑线程安全问题
• 有垃圾回收机制

前面的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是每个线程独有的，但是堆是线程共享的
可以使用-Xmx参数来设置堆内存大小
可以使用jconsole工具来查看堆内存占用情况

方法区

• 共享性：方法区是线程共享的内存区域
• 逻辑部分：方法区是JVM规范中的逻辑概念，具体实现因JVM版本而异
• 存储：和类相关的信息（成员方法、构造器、成员变量）、运行时常量池、静态变量、方法字节码、字段和方法信息

内存溢出：

• 1.8以前导致永久代内存溢出（1.8以前，方法区由永久代实现，位于堆中）PermGen space
• 1.8之后导致元空间内存溢出（1.8以后，方法区由元空间实现，使用本地内存）Metaspace

常量池：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，当类被加载时，他的常量池信息就会被放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址。

StringTable

常量池中的信息，都会被加载到运行时常量池中。

• 常量池中的字符串只是符号，第一次用到时才会变成对象（懒加载）
• 利用运行时常量池的机制，来避免重复创建字符串对象
• 字符串变量拼接的原理是StringBuilder（1.8、在堆中）
• 字符串常量拼接的原理是编译器优化（在编译期如果确定字符串，就把它放入常量池中）
• 可以使用intern方法，主动将常量池中还没有的字符串对象放入串池中
  • 1.8：将这个字符串对象尝试放入串池，如果有则不会放入；如果没有则放入串池，会把串池中的对象返回
  • 1.6：会把这个字符串对象尝试放入串池，如果有则不会放入；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（调用intern()方法创建的对象和放入串池的对象是两个对象）

public class Main {public static void main(String[] args) {/*StringTable ["a", "b", "ab"]（hashtable结构，不能扩容）s1、s2、s3：在常量池中s4：new String("ab")*/String s1 = "a", s2 = "b", s3 = "ab"; // 懒加载：用到了才会把对应的字符串对象放入常量池中String s4 = s1 + s2; // 在堆中System.out.println(s3 == s4); // false/*s5：在编译期间已经确定结果为"ab"，所以直接从常量池中取即可*/String s5 = "a" + "b"; // 在常量池中System.out.println(s3 == s5); // true/*x1.intern()：将字符串对象尝试放入串池中，如果有则不会放入；如果没有，则放入串池，并返回串池对象*/String x1 = new String("c") + new String("d"); // 变量动态拼接，此时x1在堆中；"c"、"d"会在串池中String x2 = x1.intern();System.out.println("cd" == x1); // trueSystem.out.println("cd" == x2); // true/*String str1 = "cd";【串池】：["cd"]本来str2是在堆中，"c", "d"放入串池：String str2 = new String("c") + new String("d");【串池】：["cd", "c", "d"]使用str2.intern()方法，会将str2尝试放入串池【串池】：["cd", "c", "d"]将"cd"放入串池时，发现串池中已经存在该对象，"cd"对象放入失败*/String str1 = "cd";String str2 = new String("c") + new String("d");str2.intern();System.out.println(str1 == str2); // false}
}

StringTable位置

• JDK1.6：
  • 运行时常量池位于永久代中（方法区）
  • 字符串常量池位于永久代中（方法区）
• JDK1.8：
  • 运行时常量池位于元空间中（方法区）
  • 字符串常量池位于堆中（不在方法区里了）

由于永久代的Full GC触发时机是：永久代的空间不足才会触发，就会导致StringTable的回收时机并不会很频繁，但是StringTable又是一个需要被频繁使用的，这样很容易就会导致永久代空间不足。所以JDK8才把String Table存放位置改堆中。

StringTable性能调优

本质：调整HashTable中的桶个数
通过-XX:StringTableSize=200000调整HashTable中的桶个数

如果系统中字符串常量的个数较多，可以适当的调整HashTable中的桶大小，减小hash冲突。

【案例】：某平台要存储用户大量的信息，需要存储大量的用户信息，但是用户的地址信息大部分都可能是重复的，如果不加以区分，直接把这么多重复的地址信息全部存入内存，那么会占用大量的堆内存。它的解决方法就是采用字符串的intern()方法，这样就可以去除重复的地址，相同的地址只会在串池中存储一份，这样也能减少字符串对于内存的占用。

【结论】：如果应用里有大量的重复的字符串，可以考虑使用字符串的intern()方法，将这些字符串全部放入常量池中，这样可以避免这些字符串重复存储。

直接内存（操作系统的内存，不属于java虚拟机）

• 常见于NIO操作，用于数据缓冲区。
• 回收分配成本高，读写性能高。
  

java程序每次从磁盘文件中读取，都需要先读取到系统内存，再读取到java堆内存，这样会造成很多不必要的浪费。

【改进】：划出一块内存区域（direct memory），在这块内存区域中，java代码和系统内存都可以直接访问。从磁盘文件中读取后把数据放入直接内存，java代码也可以访问到这个直接内存，这样就会少了一次缓冲区的赋值操作。

• 不受JVM内存回收管理，垃圾回收并不会导致直接内存释放，因为直接内存是操作系统的内存，不属于java虚拟机。
  • 使用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，那么就会有ReferenceHandler线程通过Cleaner的clean方法调用freeMemory来释放直接内存。