JVM 的内部结构

一、什么是 JVM？

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

优点：

• 一次编写，到处运行；
• 自动内存管理，垃圾回收功能；
• 数组下标越界检查；
• 多态

1、JVM，JRE，JDK

2、常见的 JVM

3、JVM 内部结构

二、程序计数器

  Program Counter Register 程序计数器，用来存储 jvm 指令的地址，是一个寄存器。

• 作用：记住下一条 jvm 指令的执行地址。
• 特点：程序计数器是线程私有的，即每个线程都有，线程阻塞后其值需要保存。不会存在内存溢出。（内存溢出 OOM：指程序申请内存时，没有足够的内存供申请者使用；内存泄漏：是指程序在申请内存后，无法释放已申请的内存空间）

1、工作原理

  Java 源码通过编译后生成二进制字节码（即 jvm 指令），这些二进制字节码无法直接让 CPU 运行，需要通过解释器解释成机器码后 CPU 才能执行。而程序计数器用来存储解释器下一次解释的 jvm 指令地址。

Java 编译和解释

  Java 是一种特殊的高级性语言，它既有解释性语言的特征，也有编译性语言的特征，因为它是经过先编译，后解释的过程。HelloWorld.java → HelloWolrd.class → 特定平台的机器代码。

• 编译是将源程序翻译成二进制字节码，这种机器码是不可以直接执行的。
• 解释程序不产生目标代码，它逐条地取出程序中的语句，边解释，边执行；解释器把字节码文件边解释成机器语言边交给 CPU 执行。

三、虚拟机栈

  Java Virtual Machine Stacks：Java 虚拟机栈。

• 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈。
• 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存。
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法。

1、使用 Debug 观察虚拟机栈

  使用 Idea 对下面的程序以 Debug 方式执行，观察虚拟机栈的情况。

public class Jvm {

    public static void main(String[] args) {
        a();
    }

    public static void a() {
        b(1, 2);
    }

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

  Frames 反应虚拟机栈的情况，每调用一个方法都会在顶部添加一行（即 栈顶，每一行就是一个栈帧），当前方法执行完后，当前行会删除，然后执行下一行的方法。最顶部的方法就是当前线程的活动栈帧。

2、设置虚拟机栈的大小

  通过下面递归死循环，来判断默认情况下虚拟机栈能存储的栈帧数。

public class Jvm {

    static int count = 0;

    // 栈帧过多导致栈内存溢出 java.lang.StackOverflowError
    public static void main(String[] args) {
        try {
            a();
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println(count);
        }
    }

    public static void a() {
        count++;
        a();
    }
}

  上面的代码运行结果都是 2万 左右，修改虚拟机栈的大小后，再次执行，结果只是 2700 左右。（m，k，没有单位是 b）

3、三个问题

（1）垃圾回收是否涉及栈内存？

  栈内存无非是一次次的方法调用，所产生的栈帧内存。而栈帧内存在每一次方法调用结束后都会弹出栈并释放内存，所以不需要垃圾回收来管理。

（2）栈内存分配越大越好吗？

  栈内存分配越大可以增加栈帧的容量，但是每个线程所需的内存也随之增大，物理内存不变的情况下，会影响线程数。

（3）方法内的局部变量是否线程安全？

• 如果方法内，局部变量没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的。
• 如果是局部变量引用了对象，并逃离了方法的作用范围，需要考虑线程安全。

    // 安全
    public static void m1() {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        stringBuilder.append(1);
        System.out.println(stringBuilder.toString());
    }

    // 不安全
    public static void m2(StringBuilder stringBuilder) {
        stringBuilder.append(1);
        System.out.println(stringBuilder.toString());
    }

    // 不安全
    public static StringBuilder m3() {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        stringBuilder.append(1);
        return stringBuilder;
    }

4、线程运行诊断

CPU 占用过多

• 用 top 定位哪个进程对 cpu 的占用过高。
• ps H -eo pid,tid,%cpu | grep 进程id （使用 ps 命令进一步定位是哪个线程引起的 cpu 占用过高）
• jstack 进程id：将 java 进程中的所有线程列出来，可以根据线程 id 找到有问题的线程，进一步定位到问题代码的源码行号。

程序运行很长时间没有结果

• jstack 进程id：看有没有发生死锁。

四、本地方法栈

  本地方法栈是 Java 虚拟机调用一些本地方法时，需要给本地方法提供的一些内存空间。本地方法（Native Method）：不是由 java 代码编写的方法。

五、堆（Heap）

  通过 new 关键字，创建对象都会使用堆内存。

• 它是线程共享的，堆中对象都需要考虑线程安全的问题。
• 有垃圾回收机制。

1、设置堆大小

  运行一下代码会出现堆内存溢出：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space。

public class Jvm {
  
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            List<String> list = new ArrayList<>();
            String a = "hello";
            while (true) {
                list.add(a);
                a = a + a;
                i++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println(i);
        }
    }
}

  上面的代码运行结果是 25，修改堆的大小，再次执行，结果是 17。

2、堆内存诊断

  演示堆内存使用情况的代码，在不同时间观察内存的使用情况。

public class Jvm {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("1");
        Thread.sleep(30000);
        // 10 MB
        byte[] array = new byte[1024 * 1024 * 10];
        System.out.println("2");
        Thread.sleep(20000);
        array = null;
        System.gc();
        System.out.println("3");
        Thread.sleep(1000000L);
    }
}

（1）jps 工具

  查看当前系统中有哪些 java 进程以及该进程的进程号。

C:\software\IntelliJ IDEA Workspace\algorithm>jps
16160
1808 Jvm
19104 Jps
9440 Launcher

（2）jmap 工具

  查看堆内存占用情况，jmap -heap 进程id。

C:\software\IntelliJ IDEA Workspace\algorithm>jmap -heap 1808
Attaching to process ID 1808, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 25.211-b12

using thread-local object allocation.
Parallel GC with 8 thread(s)

Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio         = 0
   MaxHeapFreeRatio         = 100
   MaxHeapSize              = 2090860544 (1994.0MB)
   NewSize                  = 44040192 (42.0MB)
   MaxNewSize               = 696778752 (664.5MB)
   OldSize                  = 88080384 (84.0MB)
   NewRatio                 = 2
   SurvivorRatio            = 8
   MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
   CompressedClassSpaceSize = 1073741824 (1024.0MB)
   MaxMetaspaceSize         = 17592186044415 MB
   G1HeapRegionSize         = 0 (0.0MB)

Heap Usage:
PS Young Generation
Eden Space:
   capacity = 33554432 (32.0MB)
   used     = 4698000 (4.4803619384765625MB)
   free     = 28856432 (27.519638061523438MB)
   14.001131057739258% used
From Space:
   capacity = 5242880 (5.0MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 5242880 (5.0MB)
   0.0% used
To Space:
   capacity = 5242880 (5.0MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 5242880 (5.0MB)
   0.0% used

（3）jconsole 工具

  图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测。

（4）jvisualvm 工具

  如果垃圾回收后，内存占用仍然很高。则使用 jvisualvm 的 堆Dump 功能查看堆的使用情况。

public class Jvm {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Studnet> studnets = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            studnets.add(new Studnet());
        }
        Thread.sleep(1000000000L);
    }
}

class Studnet {
    private byte[] big = new byte[1024 * 1024];
}