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JVM的位置

JVM是运行在操作系统上的虚拟机,存在于JRE当中

JVM的类型

HotSpot
- Sun公司
- 用的基本都是这个
JRockit
- BEA
J9VM
- IBM

JVM的体系结构

本地方法接口JNI

JNI的作用
- 拓展java的使用,融合不同的编程语言为java所用
  - 最初是C/C++
- 因为最初java诞生的时候,市面上全是C/C++,java要想立足,必须有能调用C/C++的方法
  - 于是在内存中设置了本地方法栈,专门用来登记native方法
  - 然后由JNI去调用本地方法库
凡是带了native关键字的方法
- 说明java的作用范围达不到了
- 会进入本地方法栈
- 执行引擎会调用本地方法接口JNI
- 去调用底层c语言的库
常见的本地方法
- 线程
- 打印机
- 管理系统
现在除了通过JNI,也有其他方法去调用其他语言的方法,比如说Socket

类加载器

ClassLoader

用于加载类

双亲委派机制

类加载器收到类加载的请求
将这个请求向上委托给父类加载器去完成
- 一直向上委托
- 直到启动类加载器
当前加载器检查是否能够加载当前这个类
- 能加载就结束,使用当前的加载器
- 否则通知子加载器进行加载
重复步骤3
若没有任何类加载器可以加载
- Class Not Found

双亲委派机制的作用:

沙箱隔离机制,安全,防止Java的核心API类被篡改
- 恶意代码无法通过同名类的方法获得高级权限
避免重复加载

类加载的过程

验证
准备
解析
初始化

程序计数器

可以看作
- 当前线程所执行的字节码的行号指示器
- 指向下一个将要执行的指令代码的地址
  - 如果是Java方法,记录的是虚拟机字节码指令的地址
  - 如果是native方法,记录的是Undefined
- 由执行引擎来读取下一条指令
更确切地说
- 一个线程的执行
- 是通过字节码解释器改变当前线程的计数器的值
- 来获取下一条需要执行的字节码指令
在物理上是通过寄存器来使用的
不存在OOM

栈

线程运行需要的内存空间
虚拟机栈为java方法服务
本地方法栈为native方法服务
两者在作用上是非常相似的
下面主要描述虚拟机栈

栈中存储的是什么

栈帧(stack frame)是栈的元素
- 每个方法在执行时都会创建一个栈帧
栈帧主要包含四个部分
- 局部变量表(local variable)
- 操作数栈(operand stack)
- 动态连接(dynamic linking)
- 方法出口

局部变量表

用于存储数据
存储的类型有两种
- 基本数据类型的局部变量
  - 包括方法参数
- 对象的引用
  - 但是不存储对象的内容
所需的内存空间在编译期间完成分配
- 方法运行期间不会改变局部变量表的大小
变量槽(Variable Slot)
- 局部变量表的容量的最小单位
- 一个slot最大32位
  - 对于64位的数据类型(long和double)会分配两个连续的slot
- java通过索引定位的方法使用局部变量表
  - 从0开始
  - 一个Slot占1位
  - 非static方法第0个槽存储方法所属对象实例的引用
- slot复用
  - 为了节省栈帧空间,slot是可以复用的
  - 如果某个变量失效了
    - 即超出了某个变量的作用域
  - 那么这个变量的slot就会交给其他变量使用
  - 副作用(这一段存疑):
    - 会影响系统的垃圾收集行为
    - 当某个变量失效后,因为它的slot可能还会交给其他变量复用,所以它占用的slot就不会被回收
线程安全
- 当局部变量表中的引用逃离了线程的范围
- 也就是当一个引用可以被另一个线程拿到的时候
- 就变成线程不安全的了

操作数栈

一个栈
元素可以是任意的java数据类型
主要作用
- 用于算数运算
- 用于参数传递
栈帧中用于计算的临时数据存储区

举例

public class OperandStack{

    public static int add(int a, int b){
        int c = a + b;
        return c;
    }

    public static void main(String[] args){
        add(100, 98);
    }
}

动态连接

指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用

返回地址

存放调用该方法的pc寄存器的值
正常退出时会使用
异常退出时会通过异常表来确认

可能出现的异常

StackOverflowError
- 栈溢出错误
- 如果一个线程在计算时所需的栈大小>配置允许最大的栈大小
- 那么jvm将抛出该错误
OutOfMemoryError
- 内存不足
- 栈进行动态扩展时如果无法申请到足够的内存
- 会抛出该错误

设置栈参数

-Xss
- 设置栈大小
- 通常几百K

jstack命令

jstack是JVM自带的JAVA栈追踪工具
它用于打印出给定的java进程ID、core file、远程调试Java栈信息
常用命令：
- jstack [option] pid
  - 打印某个进程的堆栈信息
- 选项
  - -F强制输出
  - -m显示本地方法的堆栈
  - -l显示锁信息
使用案例
- 查看进程死锁情况
- 查看高cpu占用情况
  - 还需要用到top命令

堆

被所有线程共享

主要存储

new关键字创建的对象实例
- 数组
静态变量
string池(1.8之后)

GC就是在堆上收集对象所占用的内存空间

堆的空间结构

新创建的对象会存储在生成区
年轻代内存满之后,会触发Minor CG,清理年轻代内存
长期存活的对象和大对象会存储在老年代
当老年代内存满之后,会触发Full CG,清理全部内存
- 如果清理后仍然无法存储进新的对象
- 会抛出OutOfMemoryError

堆内存诊断

jps工具
- 查看当前系统中有哪些java进程
jmap工具
- 查看堆内存占用情况
- jmap -heap pid
- jmap -dump:format=b,live,file=1.bin pid
  - 将堆内存占用情况转储
  - format=b:以二进制的形式
  - live:抓取之前调用一次垃圾回收
  - file=1.bin:将文件导出为1.bin
jconsole工具
- 图形界面的,多功能的监测工具
jvisualvm
- 可视化虚拟机
案例:调用垃圾回收后,占用的内存依然非常大
- 使用jvisualvm
- 查看对象个数
- 使用堆转储dump

方法区

被所有线程共享

主要存储

类信息
- 版本
- 字段
- 方法
- 接口
运行时的常量池
- 字面量
  - final修饰的常量
  - 基本数据类型的值
  - 字符串(1.8之前)
- 符号引用
  - 类和接口的全类型
  - 方法名和描述符
  - 字段名和描述符
- 当类被加载时，.class中的常量池会被放进运行时常量池中

永久区

JDK1.7及之前,方法区的具体实现是PermSpace永久区

MetaSpace

JDK1.8后,使用MetaSpace元空间替代PermSpace

元空间不在JVM中,而是使用本地内存

有两个参数:

MetaSpaceSize
- 初始化元空间大小
- 控制发生GC的阈值
MaxMetaSpaceSize
- 限制元空间大小上限
- 防止异常占用过多的物理内存

使用常量池的优点

避免了频繁的创建和销毁对象而影响系统性能
实现了对象的共享

Integer常量池

public void TestIntegerCache()
{
    public static void main(String[] args)
    {

        Integer i1 = new Integer(66);
        Integer i2 = new Integer(66);
        Integer i3 = 66;
        Integer i4 = 66;
        Integer i5 = 150;
        Integer i6 = 150;
        System.out.println(i1 == i2);//false
        System.out.println(i3 == i4);//true
        System.out.println(i5 == i6);//false
    }

}

为什么i1 == i2为false
- 因为是new了两个新对象,两个新对象的地址不一样
为什么i3 == i4为true
- 当Integer i3 = 66时,其实进行了一步装箱操作
- 通过Integer.valueOf()将66装箱成Integer
- ```
public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
}
```
- 而IntegerCache是Integer的静态内部类
  - 它通过static{}静态代码块,将-128~127的值全部缓存在了一个Integer数组中
为什么i5 == i6为false
- 因为150超出了缓存的范围
- 重新new了一个对象
  
  public static void main(String[] args){
  Integer i1 = new Integer(4);
  Integer i2 = new Integer(6);
  Integer i3 = new Integer(10);
  System.out.print(i3 == i1+i2);//true
  }
为什么i3 == i1 + i2为true
- 因为对象在进行+运算时是会进行拆箱的
- 拆箱成int再进行数值比较

String常量池

在1.6之后在堆中,在1.6及之前在永久代中

目的是为了减少字符串对内存的占用,提高效率

String是由final修饰的类,不可被继承

String str = new String("abcd");
- 每次都会创建一个新对象
String str = "abcd"
- 先在栈上创建一个引用
- 然后去String常量池找是否有"abcd"
  - 若有,直接让引用指向它
  - 没有,向常量池添加一个"abcd",再指向它

字符串+连接问题

String a = "a1";   
String b = "a" + 1;   
System.out.println((a == b)); //result = true  

String a = "atrue";   
String b = "a" + "true";   
System.out.println((a == b)); //result = true 

String a = "a3.4";   
String b = "a" + 3.4;   
System.out.println((a == b)); //result = true

JVM在编译时就会优化成+号连接后的值

字符串引用+连接问题

public static void main(String[] args){
       String str1 = "a";
       String str2 = "ab";
       String str3 = str1 + "b";
       System.out.print(str2 == str3);//false
    }

因为是变量,在编译时无法确定结果

JVM会将+连接优化成StringBuilder的append方法

反编译后的内容

public class TestDemo
{

    public TestDemo()
    {
    }

    public static void main(String args[])
    {
        String s = "a";
        String s1 = "ab";
        String s2 = (new StringBuilder()).append(s).append("b").toString();
        System.out.print(s1 = s2);
    }
}

但要注意的是,用final修饰过的字符串引用,会被视为常量,而非变量

intern()

s.intern()

将字符串对象尝试放入串池中
- 如果有,则不放入
- 如果没有,则放入
  - 但是在1.6版本时
  - 会复制一份,然后把复制品放入串池中
返回串池中的对象

调优

一些参数

-XX:+PrinStringTableStatistic
- 打印串池的统计信息
-XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
- 打印GC信息
-XX:StringTableSize=<数值>
- 调整StringTable底层hash表的长度

调优思路

调整桶个数
- 使用-XX:StringTableSize=<数值>
  - 因为StringTable底层是一个hashtable
  - 所以我们可以通过调整长度来减少发生碰撞的次数
  - 从而减少链表的长度
  - 最终提高速度
考虑将字符串对象是否入池
- 使用intern()方法
- 将字符串入池

.class文件中的内容

反编译指令javap -v <.class文件>

类的基本信息
- 更改时间
- MD5
- 类全名
- 版本信息
- 父类信息
- 接口信息
常量池
- 一张表
- 虚拟机根据这张常量表找到要执行的
  - 类型、方法名、参数类型、字面量等信息
类的方法定义
- 构造方法
- 成员方法

直接内存

Direct Memory
- 常见于NIO操作时,用于数据缓冲区
- 分配回收成本较高,但读写性能高
- 不受JVM内存回收管理
- 会出现内存溢出OOM
Unsafe
- 在底层是通过Unsafe对象分配的空间
- 于是也需要手动调用Unsafe对象的freeMemory方法释放空间
- 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
- 就会由ReferenceHandler线程通过Cleaner的clean方法调用freeMemory来释放直接内存
禁用显示垃圾回收对直接内存的影响
- -XX:+DisableExplicitGC禁止显示的垃圾回收
- 无效掉System.gc()
- 所以使用直接内存的时候,应该手动使用Unsafe对象