JVM内存管理(一)

JVM与操作系统的关系

1.JVM 基础

1.1 Java Virtual Machine是什么

​ JVM 全称 Java Virtual Machine，也就是我们耳熟能详的 Java 虚拟机。它能识别 .class后缀的文件，并且能够解析它的指令，最终调用操作系统上的函数，完成我们想要的操作。

1.2 JVM的作用是什么

​ JVM是一个抽象层，有了JVM，java代码就可以跨平台运行。JVM的作用主要是将字节码"翻译"成操作系统可以执行的指令代码。

JVM的作用.png

1.3 JVM、JRE、JDK的关系

​ JVM只是一个翻译，把Class翻译成机器识别的代码，但是需要注意，JVM 不会自己生成代码，需要大家编写代码，同时需要很多依赖类库，这个时候就需要用到JRE。

​ JRE是Java 运行环境(Java Runtime Environment)，它除了包含JVM之外，提供了很多的类库（就是我们说的jar包，它可以提供一些即插即用的功能，比如读取或者操作文件，连接网络，使用I/O等等之类的）这些东西就是JRE提供的基础类库。JVM 标准加上实现的一大堆基础类库，就组成了 Java 的运行时环境。

​ 但对于程序员来说，JRE还不够。我写完要编译代码，还需要调试代码，还需要打包代码、有时候还需要反编译代码。所以我们会使用JDK，因为JDK还提供了一些非常好用的小工具，比如 javac（编译代码）、java、jar （打包代码）、javap（反编译<反汇编>）等。这个就是JDK。

2. JVM的结构

2.1 整体结构

​ 一个 Java 程序，首先经过 javac 编译成 .class 文件，然后 JVM 将其加载到方法区，执行引擎将会执行这些字节码。执行时，会翻译成操作系统相关的函数。JVM 作为 .class 文件的翻译存在，输入字节码，调用操作系统函数。

​ 代码被处理的过程如下：Java 文件->编译器->字节码->JVM->机器码。

程序执行过程.png

2.2 JVM运行时数据区域

​ Java 引以为豪的就是它的自动内存管理机制。相比于 C++的手动内存管理、复杂难以理解的指针等，Java 程序写起来就方便的多。

​ 在 Java 中，JVM 内存主要分为堆、程序计数器、方法区、虚拟机栈和本地方法栈。

运行时数据区组成.png

2.2.1 程序计数器

​ 较小的内存空间，当前线程执行的字节码的行号指示器；各线程之间独立存储，互不影响。

​ 程序计数器是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，例如：分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。

​ 由于 Java 是多线程语言，当执行的线程数量超过 CPU 核数时，线程之间会根据时间片轮询争夺 CPU 资源。如果一个线程的时间片用完了，或者是其它原因导致这个线程的 CPU 资源被提前抢夺，那么这个退出的线程就需要单独的一个程序计数器，来记录下一条运行的指令。

​ 程序计数器也是JVM中唯一不会OOM(OutOfMemory)的内存区域

2.2.2 虚拟机栈

​ 虚拟机栈在JVM运行过程中存储当前线程运行方法所需的数据，指令、返回地址。

​ Java 虚拟机栈是基于线程的。哪怕只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。

​ 栈里的每条数据，就是栈帧。在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦完成相应的调用，则出栈。所有的栈帧都出栈后，线程也就结束了。

​ 每个栈帧，都包含四个区域：(局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址)

• 局部变量表:用于存放我们的局部变量的。首先它是一个32位的长度，主要存放我们的Java的八大基础数据类型，一般32位就可以存放下，如果是64位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的Object对象，我们只需要存放它的一个引用地址即可，实体对象在堆中存放。
• 操作数据栈：存放我们方法执行的操作数的，它就是一个栈，先进后出的栈结构，操作数栈，就是用来操作的，操作的的元素可以是任意的java数据类型，所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的，操作数栈运行方法就是JVM一直运行入栈/出栈的操作。
• 动态链接: Java语言特性多态（需要类运行时才能确定具体的方法）。
• 返回地址: 正常返回（调用程序计数器中的地址作为返回）、异常的话（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定）

​ 栈的大小调节：缺省为1M，可用参数 –Xss调整大小，例如-Xss256k

​

2.2.3 本地方法栈

​ 本地方法栈跟 Java 虚拟机栈的功能类似，Java 虚拟机栈用于管理 Java 函数的调用，而本地方法栈则用于管理本地方法的调用。但本地方法并不是用 Java 实现的，而是由 C 语言实现的。

​ 本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是 native 方法。你甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域。

​ 虚拟机规范无强制规定，各版本虚拟机自由实现 ，HotSpot直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一 。

2.2.4 方法区(永久代) (线程共享区)

​ 方法区主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息，包括类信息、静态变量、常量、运行时常量池、字符串常量池。

​ JVM 在执行某个类的时候，必须先加载。在加载类（加载、验证、准备、解析、初始化）的时候，JVM 会先加载 class 文件，而在 class 文件中除了有类的版本、字段、方法和接口等描述信息外，还有一项信息是常量池 (Constant Pool Table)，用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。

​ 字面量包括字符串（String a=“b”）、基本类型的常量（final 修饰的变量），符号引用则包括类和方法的全限定名（例如 String 这个类，它的全限定名就是 Java/lang/String）、字段的名称和描述符以及方法的名称和描述符。

​ 而当类加载到内存中后，JVM 就会将 class 文件常量池中的内容存放到运行时的常量池中；在解析阶段，JVM 会把符号引用替换为直接引用（对象的索引值）。

​ 元空间大小参数：

• jdk1.7及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；
• jdk1.8以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSize
• jdk1.8以后大小就只受本机总内存的限制（如果不设置参数的话）

​ Java8 为什么使用元空间替代永久代，这样做有什么好处呢？

​ 移除永久代是为了融合 HotSpot JVM 与 JRockit VM 而做出的努力，因为 JRockit 没有永久代，所以不需要配置永久代。

​ 永久代内存经常不够用或发生内存溢出，抛出异常 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。这是因为在 JDK1.7 版本中，指定的 PermGen 区大小为 8M，由于 PermGen 中类的元数据信息在每次 FullGC 的时候都可能被收集，回收率都偏低，成绩很难令人满意；还有，为 PermGen 分配多大的空间很难确定，PermSize 的大小依赖于很多因素，比如，JVM 加载的 class 总数、常量池的大小和方法的大小等。

2.2.5 堆区(线程共享区)

​ 堆是 JVM 上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。
​ 堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。
​ 随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。
​ 那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置。
​ Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。
​ 对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。
​ 对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配

堆大小参数：

• -Xms：堆的最小值；

• -Xmx：堆的最大值；

• -Xmn：新生代的大小；

• -XX:NewSize；新生代最小值；

• -XX:MaxNewSize：新生代最大值；

  例如- Xmx256m

2.3 直接内存

​ 不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域；如果使用了NIO,这块区域会被频繁使用，在java堆内可以用directByteBuffer对象直接引用并操作；

​ 这块内存不受java堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过-XX:MaxDirectMemorySize来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现OOM异常。

3.深入理解运行时数据区

3.1 测试代码

public class Test {

    public int calculate(){
        int i = 1;
        int j = 2;
        int k = (i + j) * 10;
        return k;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        test.calculate();
    }
}

​ 使用javac工具编译Test.java类生成Test.class，并且使用javap工具反编译Test.class字节码可以看到calculate()方法字节码如下图：

calculate字节码.png

​ 从图中可以看到calculate()方法被反编结果包含两个部分: 一个是“行号”，用于程序计数器指引下一行机器需要执行的指令；另一个是字节码指令，用于虚拟机翻译成机器码执行的指令代码。

​ 因此，java代码执行是基于字节码指令；而C代码执行是基于寄存器。虽然基于寄存器的代码执行效率会高一点，但是可移植性会很差，不同平台不容易移植；而基于字节码指令的java代码，基于不同平台，只要虚拟机支持，java代码可以无缝移植。

3.2 运行时数据区执行过程

运行时数据区.png

对应的执行过程说明如下：

0: iconst_1 -> 将int型 1 入操作数栈
1: istore_1 -> 将操作数栈栈顶int型值存入局部变量表(下标为1的位置)
2: iconst_2 -> 将int型 2 入操作数栈
3: istore_2 -> 将操作数栈栈顶int型值存入局部变量表(下标为2的位置)
4: iload_1 -> 将局部变量表中下标为1位置的值压入操作数栈
5: iload_2 -> 将局部变量表中下标为2位置的值压入操作数栈
6: iadd -> (1)将栈顶两个元素出栈 (2)执行相加 (3)将结果压入操作数栈
7: bipush 10 -> 将int型 10压入操作数栈
9: imul -> (1)将栈顶两个元素出栈 (2)执行相乘 (3)将结果压入操作数栈
10: istore_3 -> 将操作数栈顶int型数值压入局部变量表(下标为3的位置)
11: iload_3 -> 将局部变量表中下标为3位置的值压入操作数栈
12: ireturn -> 返回调用calculate方法的下一行地址继续执行

参考资料

JVM参数参考说明