黑马JVM解析笔记（一）：内存结构

1.一个JAVA对象在JVM执行的流程

可以用这张图来描述：

1. 首先java对象通过ClassLoader被加载进内存
2. 然后就是到了JVM内部的结构，主要是将java类信息存储到JVM中的各个区域：
   • 方法区：存储类级别的信息，包括静态变量、方法数据和常量池等
   • 堆：存储对象实例和数组，动态的创建并管理对象的内存区域
   • JVM栈：存储线程的栈帧，栈帧中包含了方法的调用的局部变量和部分结果
   • 程序计数器：存储当前正在执行的字节码指令的地址
   • 本地方法栈：存储本地方法（例如C或C++编写的代码）调用的栈帧
3. 执行过程：
   1. 解释器：负责逐条字节码的解析并执行
   2. 即时编译器：将字节码编译成本地机器码，以提高效率（编译过程将源代码转换为字节码，而字节码并不能直接在CPU上执行，只有机器码才能够。解释器是逐行解析代码，因此执行效率较低。而即时编译器（JIT）则通过将一些频繁执行的“热点代码”一次性编译成机器码，从而避免了重复编译相同代码的开销。这样，在遇到相同的热点代码时，JIT编译器可以直接使用已编译的机器码，显著提高执行效率。）
   3. 垃圾回收机制：负责回收不使用的对象
4. 本地方法接口：JVM与外部本地方法进行交互的接口

2.内存结构

2.1 程序计数器（每个线程都有，线程私有的）

就是保存当前执行指令的位置，执行完当前指令自动更新。其作用：

• 线程切换时保持当前状态，以备后续执行

• 控制分支执行，在程序出现分支时，跳转到不同的代码，确保逻辑的正常执行

• 异常处理和方法调用

  其特点：

1. 是线程私有的
2. 不会存在内存溢出的问题

2.2 虚拟机栈

2.2.1 java虚拟机栈的概念

其数据结构是先进后出，在JVM中的作用就是保存一个线程运行需要的内存空，栈中保存数据单元又被称做栈帧，每个栈帧就是一个方法运行时需要的内存。

问题辨析：

1. 垃圾回收是否涉及到栈内存？

   不会涉及到，它是由栈内存的生命周期和方法调用决定的

2. 栈内存分配越大越好吗？

   不一定，电脑的物理内存是一定，栈内存越大，相对应的线程就变少了，执行效率可能比之前都差

3. 方法内的局部变量是否线程安全？

   如果存储的东西都是栈私有的就不涉及共享变量，是线程安全的

2.2.2 栈内存溢出

什么时候会出现栈内存溢出“

1. 栈帧过多导致，例如递归调用、循环依赖问题
2. 栈帧过大
3. 可以设置栈内存的大小

2.2.3 线程运行诊断（Linux环境下）

案例一：cpu占用过多

使用 top 命令确定哪个进程对CPU的占用较高

使用以下命令进一步查看哪个线程引起了CPU占用过高：

ps H -eo pid,tid,%cpu | grep 线程id

使用 jstack 进一步查看线程的详细堆栈信息：

jstack 线程id

案例二：线程执行很久没结果，一般是死锁

查看步骤和案例一一样，查询对应的进程，在看对应线程，最后看线程栈堆的信息

2.3 本地方法栈

存储本地方法（例如C或C++编写的代码）调用的栈帧

2.3 堆，通过new关键字，创建的对象都会使用堆内存

2.3.1 特点

1. 它是线程共享的，需要考虑线程安全问题
2. 有垃圾回收机制

2.3.2 堆内存溢出

• 本来垃圾回收机制可以回收堆，但是如果对象被一直使用，这样就不会被回收掉，导致内存溢出，案例：死循环中使用对象
• 可以自定义设置堆内存大小

2.3.3 堆内存使用情况

1. jps 工具
   查看当前系统中有哪些 java 进程
2. jmap 工具
   查看堆内存占用情况 jmap - heap 进程id
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

2.4 方法区

2.4.1 定义

方法区是JVM中用来存放类级别信息的内存区域，它在JVM内存模型中扮演着重要角色，特别是在类加载、常量存储、静态变量管理等方面。随着JVM的版本更新，方法区的实现从永久代（PermGen）转变为元空间（Metaspace），优化了内存管理和性能。

如图所示：JVM1.6是利用永久代的方法创建方法区，其包括：常量池（StringTable放在常量池）、类文件、类加载文件等，到了1.8就采用元空间的方式，其把常量池、类文件、类加载文件放在本地内存中，由JVM提供一个索引指向这个内存地址，StringTable放在JVM的堆中

2.4.2 方法区内存溢出

• 1.8 之前会导致永久代内存溢出
  • 使用 -XX:MaxPermSize=8m 指定永久代内存大小
• 1.8 之后会导致元空间内存溢出
  • 使用 -XX:MaxMetaspaceSize=8m 指定元空间大小

场景：

动态代理生成代理类其中的数据就会保存到方法区中，代理类产生太多，且没有及时的清理，这样就会导致内存溢出。

2.2.3 运行时常量池

**方法区存储信息：**二进制字节码包括（类的基本信息、常量池、类方法的定义，包括了虚拟机的指令）

1. 类的基本信息：包括类名、父类、字段、方法、访问控制修饰符等元数据，在方法区存储。
2. 常量池：存储字符串常量、符号引用等信息，用于提高效率和节省内存。
3. 类方法的定义：包括实例方法、静态方法和构造方法的信息，存储在方法区。
4. 虚拟机指令：字节码指令是方法执行的核心，JVM根据指令集逐条执行方法，完成类的操作。

**常量池：**就是一张表，虚拟机指令根据这张表，找到要执行的类名、方法名、参数类型、字符信息。常量池找不到才会创建新的常量

运行时常量池：
常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载以后，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

首先看这段代码在方法区保存是怎么样的结构

1.java代码

public class StringTableDemo1 {

    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String s3 = "ab";
    }
}

2.在方法区的结构

2.1 类的常量池：保存常见的类的基本信息（类名、字段名、方法名等——JDK8之后）、字符串常量、基本引用信息等

Constant pool:
   #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."":()V   【方法引用 #2.#3 表示父类构造方法引用】
   #2 = Class              #4             // java/lang/Object				【父类的名称】
   #3 = NameAndType        #5:#6          // "":()V  【该类的构造方法引用, ()V方法签名】
   #4 = Utf8               java/lang/Object		【父类的全限定名】
   #5 = Utf8               
   #6 = Utf8               ()V
   #7 = String             #8             // a 【字符串常量引用】
   #8 = Utf8               a				【字符串常量】
   #9 = String             #10            // b
  #10 = Utf8               b
  #11 = String             #12            // ab
  #12 = Utf8               ab
  #13 = Class              #14            // com/wangxin/StringTableDemo1  【类名】
  #14 = Utf8               com/wangxin/StringTableDemo1		【该类的全限定名】
  #15 = Utf8               Code
  #16 = Utf8               LineNumberTable
  #17 = Utf8               LocalVariableTable
  #18 = Utf8               this 【局部变量当前引用】
  #19 = Utf8               Lcom/wangxin/StringTableDemo1;【描述this是谁应用，即StringTableDemo1 类的引用】
  #20 = Utf8               main   【main方法】
  #21 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V 【描述main方法为 参数定义为String类型，返回为void】
  #22 = Utf8               args
  #23 = Utf8               [Ljava/lang/String; 【指定arg参数类型为String】
  #24 = Utf8               s1
  #25 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #26 = Utf8               s2
  #27 = Utf8               s3
  #28 = Utf8               SourceFile
  #29 = Utf8               StringTableDemo1.java

2.2 类的基本信息：包括类名、父类、字段、方法、访问控制修饰符等元数据，在方法区存储。

主要是存储在元数据中（JDK8），有一些保存在常量池中

2.3 类方法的定义和它包含指令：

{
  【构造方法分描述】
  public com.wangxin.StringTableDemo1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/wangxin/StringTableDemo1;

  【main方法的描述】
  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=4, args_size=1
         0: ldc           #7                  // String a
         2: astore_1
         3: ldc           #9                  // String b
         5: astore_2
         6: ldc           #11                 // String ab
         8: astore_3
         9: return
      LineNumberTable:
      	【line 12，其中12表示对源代码第几行】
        line 12: 0
        line 13: 3
        line 14: 6
        line 15: 9
      【局部变量】
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      10     0  args   [Ljava/lang/String;
            3       7     1    s1   Ljava/lang/String;
            6       4     2    s2   Ljava/lang/String;
            9       1     3    s3   Ljava/lang/String;
}

3.直接内存：提高程序的I/O效率

就是在操作系统缓冲区，开辟一个区域可以有JVM直接方法。目的就是加快文件的传输JVM访问本地数据有两个缓冲区，操作系统和JVM中，经过两个缓冲区就会到传输相对比较慢

缺点

1. 管理起来比较复杂：需要开发者进行管理，分配内存和释放内存
2. 可能存在一些内存安全的问题：导致操作系统内存泄漏