JVM内存结构:程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈

目录

• 一、JVM 入门介绍
• JVM 定义
• JVM 优势
• JVM JRE JDK的比较
• 学习步骤
• 二、内存结构
• 整体架构
• 1、程序计数器(寄存器)
• 1.1 作用
• 1.2 特点
• 2、虚拟机栈
• 2.1 定义
• 2.2 演示
• 2.3 面试问题辨析
• 2.4 内存溢出
• 2.5 线程运行诊断
• 3、本地方法栈
• 4、总结

一、JVM 入门介绍

JVM 定义

Java Virtual Machine，JAVA程序的运行环境（JAVA二进制字节码的运行环境）

JVM 优势

• 一次编写，到处运行
• 自动内存管理，垃圾回收机制
• 数组下标越界检查 常见的JVM

注：我们笔记所使用的的是HotSpot 版本

JVM JRE JDK的比较

JVM JRE JDK的区别：

学习步骤

学习顺序如下图：(由简到难)

二、内存结构

整体架构

1、程序计数器(寄存器)

Program Counter Register

1.1 作用

程序计数器用于保存JVM中下一条所要执行的指令的地址

0:getstatic #20 					 // PrintStream out = System.out;
1:astore_1 							// --
2:aload_1 							// out.println(1);
3:iconst_1 							// --
4:invokevirtual #26 				 // --
5:aload_1 						    // out.println(2);
6:iconst_2 							// --
7:invokevirtual #26 				 // --
8:aload_1 						    // out.println(3);
9:iconst_3 						    // --
10:invokevirtual #26 				 // --
11:aload_1 							// out.println(4);
12:iconst_4 						// --
13:invokevirtual #26 				 // --
14:aload_1 						    // out.println(5);
15:iconst_5 						// --
16:invokevirtual #26 				 // --
return

Java指令执行流程：

• 每一条二进制字节码(JVM指令) 通过 解释器 转换成 机器码 然后 就可以被 CPU 执行了！
• 当 解释器 将一条jvm 指令转换成 机器码后 其会 向程序计数器 递交 下一条 jvm 指令的执行地址！
• 程序计数器在硬件层面 其实是通过 寄存器 实现的！
• 所以程序计数器的作用就是：用于保存JVM中下一条所要执行的指令的地址！

1.2 特点

• 线程私有
  • CPU会为每个线程分配时间片，当当 前线程的时间片使用完以后，CPU就会去执行另一个线程中的代码
  • 程序计数器是每个线程所私有的，当另一个线程的时间片用完，又返回来执行当前线程的代码时，通过程序计数器可以知道应该执行哪一句指令
• 不会存在内存溢出

2、虚拟机栈

Java Virtual Machine Stacks

2.1 定义

• 每个线程运行需要的内存空间，这一空间被称为虚拟机栈(Frames)
• 每个栈由多个栈帧(Frame) 组成，对应着每个方法运行时所占用的内存
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的方法，当方法执行时压入栈，方法执行完毕后 弹出栈

2.2 演示

代码

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/11/10/11:36
 * @Description: 演示栈帧
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        methodA();
    }
    private static void methodA() {
        methodB(1, 2);
    }
    private static int methodB(int a, int b) {
        int c = a + b;
        return c;
    }
}

我们打断点来Debug 一下看一下方法执行的流程：

接这往下走，使方法B执行完毕：

然后方法A执行完毕，其对应的栈帧出栈，main方法对应的栈帧为活动栈帧；最后main执行完毕 栈帧出栈，虚拟机栈为空，代码运行结束！

2.3 面试问题辨析

• 1.垃圾回收是否涉及栈内存？
  • 不需要。因为虚拟机栈中是由一个个栈帧组成的，在方法执行完毕后，对应的栈帧就会被弹出栈。所以无需通过垃圾回收机制去回收内存。
• 2.栈内存的分配越大越好吗？

• 不是。因为物理内存是一定的，栈内存越大，可以支持更多的递归调用，但是可执行的线程数就会越少。
• 举例：如果物理内存是500M(假设)，如果一个线程所能分配的栈内存为2M的话，那么可以有250个线程。而如果一个线程分配栈内存占5M的话，那么最多只能有100 个线程同时执行！

3.方法内的局部变量是否是线程安全的？

从图中得出：局部变量如果是静态的可以被多个线程共享，那么就存在线程安全问题。如果是非静态的只存在于某个方法作用范围内，被线程私有，那么就是线程安全的！

看一个案例：

/**
 * 局部变量的线程安全问题
 */
public class Demo02 {
    public static void main(String[] args) {// main 函数主线程
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(4);
        sb.append(5);
        sb.append(6);
        new Thread(() -> {// Thread新创建的线程
            m2(sb);
        }).start();
    }
    public static void m1() {
        // sb 作为方法m1()内部的局部变量，是线程私有的 ---> 线程安全
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    }
    public static void m2(StringBuilder sb) {
        // sb 作为方法m2()外部的传递来的参数，sb 不在方法m2()的作用范围内
        // 不是线程私有的 ---> 非线程安全
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        System.out.println(sb.toString());
    }
    public static StringBuilder m3() {
        // sb 作为方法m3()内部的局部变量，是线程私有的
        StringBuilder sb = new StringBuilder();// sb 为引用类型的变量
        sb.append(1);
        sb.append(2);
        sb.append(3);
        return sb;// 然而方法m3()将sb返回，sb逃离了方法m3()的作用范围，且sb是引用类型的变量
        // 其他线程也可以拿到该变量的 ---> 非线程安全
        // 如果sb是非引用类型，即基本类型(int/char/float...)变量的话，逃离m3()作用范围后，则不会存在线程安全
    }
}

该面试题答案：

如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，则是线程安全的

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问题

2.4 内存溢出

Java.lang.stackOverflowError 栈内存溢出

发生原因

• 1.虚拟机栈中，栈帧过多（无限递归），这种情况比较常见！
• 2.每个栈帧所占用内存过大(某个/某几个栈帧内存直接超过虚拟机栈最大内存)，这种情况比较少见！

举2个案例：

案例1：

/**
 * 演示栈内存溢出 java.lang.StackOverflowError
 * -Xss256k 可以通过栈内存参数 设置栈内存大小
 */
public class Demo03 {
    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++;// 统计栈帧个数
        method1();// 方法无限递归，不断产生栈帧 到虚拟机栈
    }
}
最后输出结果：
java.lang.StackOverflowError
	at com.haust.jvm_study.demo.Demo03.method1(Demo03.java:21)
     ...
     ...
39317// 栈帧个数，不同的虚拟机大小能存放的栈帧数量不一样

我们可以通过修改参数来指定虚拟机栈内存大小

当我们将虚拟机栈内存缩小到指定的256k的时候再运行Demo03后，会得到其栈内最大栈帧数为：3816 远小于原来的39317！

案例2：

/**
 * 两个类之间的循环引用问题，导致的栈溢出
 *
 * 解决方案：打断循环，即在员工emp 中忽略其dept属性，放置递归互相调用
 */
public class Demo04 {
    public static void main(String[] args) throws JsonProcessingException {
        Dept d = new Dept();
        d.setName("Market");
        Emp e1 = new Emp();
        e1.setName("csp");
        e1.setDept(d);
        Emp e2 = new Emp();
        e2.setName("hzw");
        e2.setDept(d);
        d.setEmps(Arrays.asList(e1, e2));
        // 输出结果：{"name":"Market","emps":[{"name":"csp"},{"name":"hzw"}]}
        ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();// 要导入jackson包
        System.out.println(mapper.writeValueAsString(d));
    }
}
/**
 * 员工
 */
class Emp {
    private String name;
    @JsonIgnore// 忽略该属性:为啥呢？我们来分析一下！
    /**
     * 如果我们不忽略掉员工对象中的部门属性
     * System.out.println(mapper.writeValueAsString(d));
     * 会出现下面的结果：
     * {
     *  "name":"Market","emps":
     *  [c
     *      {"name":"csp",dept:{name:'xxx',emps:'...'}},
     *      ...
     *  ]
     * }
     * 也就是说，输出结果中，部门对象dept的json串中包含员工对象emp，
     * 而员工对象emp 中又包含dept，这样互相包含就无线递归下去，json串越来越长...
     * 直到栈溢出！
     */
    private Dept dept;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public Dept getDept() {
        return dept;
    }
    public void setDept(Dept dept) {
        this.dept = dept;
    }
}
/**
 * 部门
 */
class Dept {
    private String name;
    private List<Emp> emps;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public List<Emp> getEmps() {
        return emps;
    }
    public void setEmps(List<Emp> emps) {
        this.emps = emps;
    }
}

2.5 线程运行诊断

案例1：CPU占用过高

• Linux环境下运行某些程序的时候，可能导致CPU的占用过高，这时需要定位占用CPU过高的线程
• top命令，查看是哪个进程占用CPU过高

• ps H -eo pid, tid（线程id）, %cpu | grep 刚才通过top查到的进程号 通过ps命令进一步查看具体是哪个线程占用CPU过高！

• jstack 进程id 通过查看进程中的线程的nid，刚才通过ps命令看到的tid来对比定位，注意jstack查找出的线程id是16进制的，需要转换
  • 可以通过线程id，找到有问题的线程，进一步定位到问题代码的源码行数！

我们可以看到上图中的thread1 线程一直在运行(runnable)中，说明就是它占用了较高的CPU内存；

3、本地方法栈

一些带有native 关键字的方法就是需要JAVA去调用本地的C或者C++方法，因为JAVA有时候没法直接和操作系统底层交互，所以需要用到本地方法！

如图：

• 本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用,它的初衷是融合C/C++程序,Java诞生的时候是C/C++横行的时候,要想立足,必须由调用C/C++程序,于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码,它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法,在Execution Engine执行时加载native libraies
• 目前该方法的使用的越来越少了,除非是与硬件有关的应用,比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备,在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达,比如可以使用Socket通信,也可以使用Web Service等等,不多做介绍
• 本地方法栈(Native Method Stack)：(它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine 执行时加载本地方法库)
• native方法的举例: Object类中的clone wait notify hashCode 等 Unsafe类都是native方法

4、总结

这篇文章的内容就到这了，希望大家多多关注我们的其他内容！