JavaJAVA内存与垃圾回收

JVM（三） 内存与垃圾回收|运行时数据区（上）

2020-07-10  本文已影响0人  TiaNa_na

本文主要介绍运行时数据区的程序计数器和Java虚拟机栈部分。

目录
 1 基本概念
  1.1 内存
  1.2 线程私有和线程共享
  1.3 线程
   1.3.1 JVM系统线程
 2 程序计数器（PC寄存器）
  2.1 作用
  2.2 代码示例
 3 虚拟机栈
  3.1 概述
   3.1.1 背景
   3.1.2 内存中的堆与栈
   3.1.3 虚拟机栈基本内容
   3.1.4 栈的特点
   3.1.5 栈中可能出现的异常
   3.1.6 设置栈的大小
  3.2 栈的存储单位
   3.2.1 栈的存储结构
  3.3 局部变量表（Local Variables）
   3.3.1 局部变量表
   3.3.2 字节码中方法内部结构剖析
   3.3.3 slot
   3.3.4 静态变量与局部变量的对比
  3.4 操作数栈（Operand Stack）
    3.4.1 概述
   3.4.2 实例解析
   3.4.3 栈顶缓存技术ToS（Top-of-Stack Cashing）
  3.5 动态链接（Dynamic Linking）
   3.5.1 概述
   3.5.2 方法的调用
   3.5.3 虚方法和非虚方法
   3.5.4 动态类型语言和静态类型语言
   3.5.5 方法重写的本质
   3.5.6 虚方法表
  3.6 方法返回地址（Return Address）
  3.7 一些附加信息
 4 练习题

1 基本概念

JDK8以后的运行时数据区
1.1 内存

内存是非常重要的系统资源，是硬盘和cpu的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行。JVM内存布局规定了JAVA在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行。不同的jvm对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。

1.2 线程私有和线程共享

java虚拟机定了了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁（进程）。另外一些则是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。
如图，灰色的区域为单独线程私有的，红色的为多个线程共享的，即

1.3 线程
1.3.1 JVM系统线程

虚拟机线程：这种线程的操作时需要JVM达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的原因是他们都需要JVM达到安全点，这样堆才不会变化。这种线程的执行包括“stop-the-world”的垃圾收集，线程栈收集，线程挂起以及偏向锁撤销
周期任务线程：这种线程是时间周期事件的提现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行。
GC线程：这种线程对于JVM里不同种类的垃圾收集行为提供了支持
编译线程：这种线程在运行时会降字节码编译成本地代码
信号调度线程：这种线程接收信号并发送给JVM,在它内部通过调用适当的方法进行处理。

下面我们从运行时数据区的组成来了解它

2 程序计数器（PC寄存器）

JVM中的程序计数寄存器（Program Counter Register）中，Register的命名源于CPU的寄存器，寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。JVM中的PC寄存器是对物理PC寄存器的一种抽象模拟。

2.1 作用

PC寄存器是用来存储指向下一条指令的地址，也就是即将将要执行的指令代码。由执行引擎读取下一条指令。


2.2 代码示例
public class PCRegisterTest {

    public static void main(String[] args) {
        int i = 10;
        int j = 20;
        int k = i + j;

        String s = "abc";
        System.out.println(i);
        System.out.println(k);

    }
}

查看以上代码的字节码指令


字节码指令

常见问题：
①使用PC寄存器存储字节码指令地址有什么用呢？/ 为什么使用PC寄存器记录当前线程的执行地址呢？
答：因为CPU需要不停的切换各个线程，当CPU从A切换到B再切换回来以后，就得知道接着从哪开始继续执行。JVM的字节码解释器需要通过改变PC寄存器的值来明确下一条应该执行什么样的字节码指令
②PC寄存器为什么会设定为线程私有？
由于CPU时间片轮询限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一条指令。这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢？
答：为了能够准确地记录各个线程正在执行的当前字节码指令地址，最好的办法自然是为每一个线程都分配一个PC寄存器,这样一来各个线程之间便可以进行独立计算，从而不会出现相互干扰的情况。

3 虚拟机栈

3.1 概述
3.1.1 背景

由于跨平台性的设计，java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。
优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

3.1.2 内存中的堆与栈
3.1.3 虚拟机栈基本内容
3.1.4 栈的特点
3.1.5 栈中可能出现的异常

java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的

/**
 * 演示栈中的异常
 */
public class StackErrorTest {
    public static void main(String[] args) {
        main(args);
    }
}
3.1.6 设置栈的大小

我们可以使用参数-Xss选项来设置线程的最大栈空间，栈的大小直接决定了函数调用的最大可达深度。

idea设置栈的大小 
/**
 * 演示栈中的异常
 *
 * 默认情况下：count : 9474
 *  设置栈的大小： -Xss256k : count : 2459
 */
public class StackErrorTest {
    private static int count = 1;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(count);
        count++;
        main(args);
    }
}
3.2 栈的存储单位
3.2.1 栈的存储结构
3.2.2 栈的运行原理
public class StackFrameTest {
    public static void main(String[] args) {
            StackFrameTest test = new StackFrameTest();
            test.method1();
    }

    public void method1(){
        System.out.println("method1()开始执行...");
        method2();
        System.out.println("method1()执行结束...");

}

    public int method2() {
        System.out.println("method2()开始执行...");
        int i = 10;
        int m = (int) method3();
        System.out.println("method2()即将结束...");
        return i + m;
    }

    public double method3() {
        System.out.println("method3()开始执行...");
        double j = 20.0;
        System.out.println("method3()即将结束...");
        return j;
    }

}
3.2.3 栈的存储结构

每个栈帧中存储着：

3.3 局部变量表（Local Variables）
3.3.1 局部变量表
3.3.2 字节码中方法内部结构剖析


3.3.3 slot
public class LocalVariablesTest {

    private int count = 1;
    //静态方法不能使用this
    public static void testStatic(){
        //编译错误，因为this变量不存在与当前方法的局部变量表中
        System.out.println(this.count);
    }
}
this存在slot中
3.3.4 静态变量与局部变量的对比
public void test5Temp(){
        int num;
        //错误信息：变量num未进行初始化    
        System.out.println(num);
    }

补充说明：

  • 在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递
  • 局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收
3.4 操作数栈（Operand Stack）
3.4.1 概述

栈可以使用数组或者链表来实现,操作数栈就是用数组实现的。

3.4.2 实例解析
 public void testAddOperation() {
        //byte、short、char、boolean：都以int型来保存
        byte i = 15;
        int j = 8;
        int k = i + j;
    }

结合上面代码来看一下一个方法（栈帧）的执行过程：
JVM指令可参考JVM指令的使用深入详解

3.4.3 栈顶缓存技术ToS（Top-of-Stack Cashing）

基于栈式架构的虚拟机所使用的零地址指令更加紧凑，但完成一项操作的时候必然需要使用更多的入栈和出栈指令，这同时也就意味着将需要更多的指令分派（instruction dispatch）次数和内存读/写次数
由于操作数是存储在内存中的，因此频繁地执行内存读/写操作必然会影响执行速度。为了解决这个问题，HotSpot JVM的设计者们提出了栈顶缓存技术，将栈顶元素全部缓存在屋里CPU的寄存器中，以此降低对内存的读/写次数，提升执行引擎的执行效率

3.5 动态链接（Dynamic Linking）
3.5.1 概述
3.5.2 方法的调用

在JVM中，将符号引用转换为调用方法的直接引用与方法的绑定机制相关

概念 定义 对应的绑定机制
静态链接 被调用的目标方法在编译期可知，且运行期保持不变 早期绑定
动态链接 编译期无法被确定下来，在程序运行期将调用方法的符号引用转换为直接引用 晚期绑定

绑定是一个字段、方法或者类在符号引用被替换为直接引用的过程，这仅仅发生一次。

随着高级语言的横空出世，类似于java一样的基于面向对象的编程语言如今越来越多，尽管这类编程语言在语法风格上存在一定的差别，但是它们彼此之间始终保持着一个共性，那就是都支持封装，集成和多态等面向对象特性，既然这一类的编程语言具备多态特性，那么自然也就具备早期绑定和晚期绑定两种绑定方式。
Java中任何一个普通的方法其实都具备虚函数的特征，它们相当于C++语言中的虚函数（C++中则需要使用关键字virtual来显式定义）。如果在Java程序中不希望某个方法拥有虚函数的特征时，则可以使用关键字final来标记这个方法。

3.5.3 虚方法和非虚方法

子类对象的多态性使用前提：①类的继承关系②方法的重写

虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

  • 普通调用指令：
    1.invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本；
    2.invokespecial:调用方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本；
    3.invokevirtual调用所有虚方法；
    4.invokeinterface：调用接口方法；
  • 动态调用指令：
    5.invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行 .

前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可人为干预，而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本。其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（final修饰的除外）称为虚方法。

/**
 * 解析调用中非虚方法、虚方法的测试
 */
class Father {
    public Father(){
        System.out.println("Father默认构造器");
    }

    public static void showStatic(String s){
        System.out.println("Father show static"+s);
    }

    public final void showFinal(){
        System.out.println("Father show final");
    }

    public void showCommon(){
        System.out.println("Father show common");
    }

}

public class Son extends Father{
    public Son(){
        super();
    }

    public Son(int age){
        this();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Son son = new Son();
        son.show();
    }

    //不是重写的父类方法，因为静态方法不能被重写
    public static void showStatic(String s){
        System.out.println("Son show static"+s);
    }

    private void showPrivate(String s){
        System.out.println("Son show private"+s);
    }

    public void show(){
        //invokestatic
        showStatic(" 大头儿子");
        //invokestatic
        super.showStatic(" 大头儿子");
        //invokespecial
        showPrivate(" hello!");
        //invokespecial
        super.showCommon();
        //invokevirtual 因为此方法声明有final 不能被子类重写，所以也认为该方法是非虚方法
        showFinal();
        //虚方法如下
        //invokevirtual
        showCommon();//没有显式加super，被认为是虚方法，因为子类可能重写showCommon
        info();

        MethodInterface in = null;
        //invokeinterface  不确定接口实现类是哪一个 需要重写
        in.methodA();

    }

    public void info(){

    }

}

interface MethodInterface {
    void methodA();
}
3.5.4 动态类型语言和静态类型语言
3.5.5 方法重写的本质
3.5.6 虚方法表
3.6 方法返回地址（Return Address）

②在方法执行的过程中遇到了异常（Exception），并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜素到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口
方法执行过程中抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码。


3.7 一些附加信息

栈帧中还允许携带与java虚拟机实现相关的一些附加信息。例如，对程序调试提供支持的信息。(不一定有)

4 练习题

①举例栈溢出的情况？（StackOverflowError）

递归调用等，通过-Xss设置栈的大小；

②调整栈的大小，就能保证不出现溢出么？

不能 如递归无限次数肯定会溢出，调整栈大小只能保证溢出的时间晚一些

③分配的栈内存越大越好么？

不是 会挤占其他线程的空间

④垃圾回收是否会涉及到虚拟机栈？

不会

运行时数据区 是否存在Error 是否存在 GC
程序计数器 ❌ ❌
本地方法栈 ✅ ❌
jvm虚拟机栈 ✅ ❌
堆 ✅ ✅
方法区 ✅ ✅

⑤方法中定义的局部变量是否线程安全？

要具体情况具体分析

/**
 * 方法中定义的局部变量是否线程安全？具体情况具体分析
 *
 * 何为线程安全？
 *     如果只有一个线程可以操作此数据，则是线程安全的。
 *     如果有多个线程操作此数据，则此数据是共享数据。如果不考虑同步机制的话，会存在线程安全问题
 *
 * StringBuffer是线程安全的，StringBuilder不是
 */
public class StringBuilderTest {

    //s1的声明方式是线程安全的
    public static void method1(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
    }

    //stringBuilder的操作过程：是不安全的，因为method2可以被多个线程调用
    public static void method2(StringBuilder stringBuilder){
        stringBuilder.append("a");
        stringBuilder.append("b");
    }

    //s1的操作：是线程不安全的 有返回值，可能被其他线程共享
    public static StringBuilder method3(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1;
    }

    //s1的操作：是线程安全的 ，StringBuilder的toString方法是创建了一个新的String，s1在内部消亡了
    public static String method4(){
        StringBuilder s1 = new StringBuilder();
        s1.append("a");
        s1.append("b");
        return s1.toString();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder s = new StringBuilder();
        new Thread(()->{
            s.append("a");
            s.append("b");
        }).start();

        method2(s);

    }
}
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