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【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)

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【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)

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博学谷狂野架构师 2022-09-23 14:34:22 博主文章分类:技术干货 ©著作权

文章标签 后端 java 文章分类 Java 编程语言 私藏项目实操分享 阅读数299

大家好,,这篇文章咱们聊下JVM性能优化的问题

这篇文章主要介绍下JVM的运行数据区相关的内容,包括:

  • 程序计数器
  • 虚拟机栈
  • 本地方法栈
  • 方法区
  • 案例 和总结

好了,开始干货环节~

作为一个常识性的知识,大家都知道字节码只是一个二进制文件存放在那里。要想在jvm里跑起来,先得有个运行的内存环境。

也就是我们所说的jvm运行时数据区。

1)运行时数据区的位置

运行时数据区是jvm中最为重要的部分,执行引擎频繁操作的就是它。类的初始化,以及后面我们讲的对象空间的分配、垃圾的回收都是在这块区域发生的。
)

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_jvm

2)区域划分

根据《Java虚拟机规范》中的规定,在运行时数据区将内存细分为几个部分

线程私有的:Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)、程序计数器(Program Counter Register)、本地方法栈(Native Method Stacks)

大家共享的:方法区(Method Area)、Java堆区(Java Heap)

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_java_02

接下来我们分块详细来解读,每一块是做什么的,如果溢出了会发生什么事情

3.1 程序计数器

3.1.1 概述

程序计数器(Program Counter Register)

  • 每个线程一个。是一块较小的内存空间,它表示当前线程执行的字节码指令的地址。
  • 字节码解释器工作时,通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,所以整个程序无论是分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

<!---->

  • 由于线程是多条并行执行的,互相之间执行到哪条指令是不一样的,所以每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
  • 如果是native方法,这里为空

3.1.2 溢出异常

在虚拟机规范中,没有对这块区域设定内存溢出规范,也是唯一一个不会溢出的区域

3.1.3 案例

因为它不会溢出,所以我们没有办法给它造一个,但是从class类上可以找到痕迹。

回顾上面javap的反汇编,其中code所对应的编号就可以理解为计数器中所记录的执行编号。

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_jvm_03

3.2 虚拟机栈

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_jvm_04

3.2.1 概述

  • 也是线程私有的!生命周期与线程相同。
  • 它描述的是Java方法执行的当前线程的内存模型,每个方法被执行的时候,Java虚拟机都会同步创建一个栈帧,用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

3.2.2 溢出异常

1)栈深度超出设定

如果是创建的栈的深度大于虚拟机允许的深度,抛出

Exception in thread “main” java.lang.StackOverflowError

2)内存申请不足

如果栈允许内存扩展,但是内存申请不够的时候,抛出 OutOfMemoryError

注意!这一点和具体的虚拟机有关,hotspot虚拟机并不支持栈空间扩展,所以单线程环境下,一个线程创建时,分配给它固定大小的一个栈,在这个固定栈空间上不会出现再去扩容申请内存的情况,也就不会遇到申请不到一说,只会因为深度问题超出固定空间造成上面的StackOverflowError

如果换成多线程,毫无节制的创建线程,还是有可能造成OutOfMemoryError。但是这个和Xss栈空间大小无关。是因为线程个数太多,栈的个数太多,导致系统分配给jvm进程的物理内存被吃光。

这时候虚拟机会附带相关的提示:

Exception in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: unable to create native thread

ps: 每个线程默认分配1M空间(64位linux,hotspot环境)

疑问:是不是改小Xss的值就可以得到栈空间溢出呢?

答:根据上面的分析,hotspot下不可以,还是会抛出StackOverflowError,无非深度更小了。

3.2.3 案例一:进出栈顺序

 package com.itheima.jvm.demo;
 ​
 /**
  * 程序模拟进栈、出栈过程
  * 先进后出
  */
 public class StackInAndOut {
     /**
      * 定义方法一
      */
     public static void A() {
         System.out.println("进入方法A");
     }
 ​
     /**
      * 定义方法二;调用方法一
      */
     public static void B() {
         A();
         System.out.println("进入方法B");
     }
 ​
     public static void main(String[] args) {
 ​
         B();
         System.out.println("进入Main方法");
     }
 }
 ​
 ​
 ​

2)运行结果:

 进入方法A
 进入方法B
 进入Main方法

3)栈结构:

main方法---->B方法---->A方法

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_java_05

3.2.4 案例二:栈深度溢出

这个容易实现,方法嵌套自己就可以:

package com.itheima.jvm.demo;

/**
 * 通过一个程序模拟线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的栈深度;
 * 抛出StackOverflowError
 */
public class StackOverFlow {
    /**
     * 定义方法,循环嵌套自己
     */
    public static void B() {
        B();
        System.out.println("进入方法B");
    }

    public static void main(String[] args) {

        B();
        System.out.println("进入Main方法");
    }
}

2)运行结果:

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
	at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
	at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
	at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
	at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)
	at com.itheima.jvm.demo.StackOverFlow.B(StackOverFlow.java:12)

3)栈结构:

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_后端_06
【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_后端_07

3.2.5 案例三:栈内存溢出

一直不停的创建线程就可以堆满栈

但是!这个很危险,到32系统的winxp上勇敢的小伙伴可以试一试,机器卡死不负责!

package com.itheima.jvm.demo;

/*
* 栈内存溢出,注意!很危险,谨慎执行
* 执行时可能会卡死系统。直到内存耗尽
* */
public class StackOutOfMem {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            new Thread(() -> {
                while(true);
            }).start();
        }
    }
}

3.3 本地方法栈

3.3.1 概述

  • 本地方法栈的功能和特点类似于虚拟机栈,均具有线程隔离的特点
  • 不同的是,本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法,而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法
  • 虚拟机规范里对这块所用的语言、数据结构、没有强制规定,虚拟机可以自由实现它
  • 甚至,hotspot把它和虚拟机栈合并成了1个

3.3.2 溢出异常

和虚拟机栈一样,也是两个:

如果是创建的栈的深度大于虚拟机允许的深度,抛出 StackOverFlowError

内存申请不够的时候,抛出 OutOfMemoryError

3.4.1 概述

与上面的3个不同,堆是所有线程共享的!所谓的线程安全不安全也是出自这里。

在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

需要注意的是,《Java虚拟机规范》并没有对堆进行细致的划分,所以对于堆的讲解要基于具体的虚拟机,我们以使用最多的HotSpot虚拟机为例。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域,因此它也被称作“GC堆”,这就是我们做JVM调优的重点区域部分。

3.4.2 jdk1.7

jvm的内存模型在1.7和1.8有较大的区别,虽然1.7目前使用的较少了,但是我们也是需要对1.7的内存模型有所了解,所以接下里,我们将先学习1.7再学习1.8的内存模型。

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_jvm_08
  • Young 年轻区(代)

    Young区被划分为三部分,Eden区和两个大小严格相同的Survivor区

    其中,Survivor区间中,某一时刻只有其中一个是被使用的,另外一个留做垃圾收集时复制对象用

    在Eden区间变满的时候, GC就会将存活的对象移到空闲的Survivor区间中,根据JVM的策略,在经过几次垃圾收集后,任然存活于Survivor的对象将被移动到下面的Tenured区间。

  • Tenured 年老区

    Tenured区主要保存生命周期长的对象,一般是一些老的对象,当一些对象在Young复制转移一定的次数以后,对象就会被转移到Tenured区,一般如果系统中用了application级别的缓存,缓存中的对象往往会被转移到这一区间。

  • Perm 永久区

    hotspot 1.6 才有这货,现在已经成为历史

    Perm代主要保存class,method,filed对象,这部份的空间一般不会溢出,除非一次性加载了很多的类,不过在涉及到热部署的应用服务器的时候,有时候会遇到java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的错误,造成这个错误的很大原因就有可能是每次都重新部署,但是重新部署后,类的class没有被卸载掉,这样就造成了大量的class对象保存在了perm中,这种情况下,一般重新启动应用服务器可以解决问题。另外一种可能是创建了大批量的jsp文件,造成类信息超出perm的上限而溢出。这种重启也解决不了。只能调大空间。

  • Virtual区:

    jvm参数可以设置一个范围,最大内存和初始内存的差值,就是Virtual区。

3.4.3 jdk1.8

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_jvm_09

由上图可以看出,jdk1.8的内存模型是由2部分组成,年轻代 + 年老代。永久代被干掉,换成了Metaspace(元数据空间)

年轻代:Eden + 2*Survivor (不变)

年老代:OldGen (不变)

元空间:原来的perm区 (重点!)

需要特别说明的是:Metaspace所占用的内存空间不是在虚拟机内部,而是在本地内存空间中,这也是与1.7的永久代最大的区别所在。

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3.4.4 溢出异常

内存不足时,抛出

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

3.4.5 案例:堆溢出

分配大量对象,超出jvm规定的堆范围即可

package com.itheima.jvm.demo;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 堆溢出
 *   -Xms20m -Xmx20m
 */
public class HeapOOM {
    Byte[] bytes = new Byte[1024*1024];
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();
        int i = 0;
        while (true) {
            System.out.println(++i);
            list.add(new HeapOOM());
        }
    }
}

注意启动时,指定一下堆的大小:

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_java_11
1
2
3
4
5
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at com.itheima.jvm.demo.HeapOOM.<init>(HeapOOM.java:7)
	at com.itheima.jvm.demo.HeapOOM.main(HeapOOM.java:13)

3.5 方法区

3.5.1 概述

同样,线程共享的。

它主要用来存储类的信息、类里定义的常量、静态变量、编译器编译后的代码缓存。

注意!方法区在虚拟机规范里这是一个逻辑概念,它具体放在那个区域里没有严格的规定。

所以,hotspot 1.7 将它放在了堆的永久代里,1.8+单独开辟了一块叫metaspace来存放一部分内容(不是全部!定义的类对象在堆里)

具体方法区主要存什么东西呢?粗略的分,可以划分为两类:

  • 类信息:主要指类相关的版本、字段、方法、接口描述、引用等

  • 运行时常量池:编译阶段生成的常量与符号引用、运行时加入的动态变量

    (常量池里的类变量,如对象或字符串,比较特殊,1.6和1.8位置不同,下面会讲到)

小提示:

这里经常会跟上面堆里的永久代混为一谈,实际上这是两码事

永久代是hotspot在1.7及之前才有的设计,1.8+,以及其他虚拟机并不存在这个东西。

可以说,永久代是1.7的hotspot偷懒的结果,他在堆里划分了一块来实现方法区的功能,叫永久代。因为这样可以借助堆的垃圾回收来管理方法区的内存,而不用单独为方法区再去编写内存管理程序。懒惰!

同时代的其他虚拟机,如J9,Jrockit等,没有这个概念。后来hotspot认识到,永久代来做这件事不是一个好主意。1.7已经从永久代拿走了一部分数据,直到1.8+彻底去掉了永久代,方法区大部分被移到了metaspace(再强调一下,不是全部!)

结论:

方法区是一定存在的,这是虚拟机规定的,但是是个逻辑概念,在哪里虚拟机自己去决定

而永久代不一定存在(hotspot 1.7 才有),已成为历史

3.5.2 溢出异常

1.6:OutOfMemoryError: PermGen space

1.8:OutOfMemoryError: Metaspace

3.5.3 案例:1.6方法区溢出

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在1.6里,字符串常量是运行时常量池的一部分,也就是归属于方法区,放在了永久代里。

所以1.6环境下,让方法区溢出,只需要可劲造往字符串常量池中造字符串即可,这里用到一个方法:

/*
如果字符串常量池里有这个字符串,直接返回引用,不再额外添加
如果没有,加进去,返回新创建的引用
*/
String.intern()
/**
 * 方法区溢出,注意限制一下永久代的大小
 * 编译的时候注意pom里的版本,要设置1.6,否则启动会有问题
 * jdk1.6  :     -XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
 */
public class ConstantOOM {

    public static void main(String[] args) {
        ConstantOOM oom = new ConstantOOM();
        Set<String> stringSet = new HashSet();
        int i = 0;
        while (true) {
            System.out.println(++i);
            stringSet.add(String.valueOf(i).intern());
        }
    }
}

3)创建启动环境

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4)异常信息:

...
19118
19119
19120
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
	at java.lang.String.intern(Native Method)
	at com.itheima.jvm.demo.ConstantOOM.main(ConstantOOM.java:19)

2.5.4 案例:1.8方法区溢出

1)到了1.8,情况发生了变化

可以测试一下,1.8下无论指定下面的哪个参数,常量池运行都不会溢出,会一直打印下去

-XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
-XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M

2)配置运行环境

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3)控制台信息

不会抛出异常,只要你jvm堆内存够,理论上可以一直打下去

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_java_15

4)为什么呢?

永久代我们加了限制,结果没意义,因为1.8里已经没有这货了

元空间也加了限制,同样没意义,那说明字符串常量池它不在元空间里!

那么,它在哪里呢?

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_jvm_16

jdk1.8以后,字符串常量池被移到了堆空间,和其他对象一样,接受堆的控制。

其他的运行时的类信息、基本数据类型等在元空间。

我们可以验证一下,对上面的运行时参数再加一个堆上限限制:

-Xms10m
-Xmx10m

运行环境如下:

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_java_17

运行没多久,你会得到以下异常:

……
84014
84015
84016
84017
84018
84019
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded
	at java.lang.Integer.toString(Integer.java:403)
	at java.lang.String.valueOf(String.java:3099)
	at com.itheima.jvm.demo.ConstantOOM.main(ConstantOOM.java:18)

说明:1.8里,字符串inter()被放在了堆里,受最大堆空间的限制。

5)那如何才能让元空间溢出呢?

既然字符串常量池不在这里,那就换其他的。类的基本信息总在元空间吧?我们来试一下

cglib是一个apache下的字节码库,它可以在运行时生成大量的对象,我们while循环同时限制metaspace试试:

附: https://gitee.com/mirrors/cglib (想深入了解这个工具的猛击左边,这里不做过多讨论)

package com.itheima.jvm.demo;

import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;
import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

import java.lang.reflect.Method;

/**
 * jdk8方法区溢出
 *   -XX:MetaspaceSize=10M -XX:MaxMetaspaceSize=10M
 */
public class ConstantOOM8 {
    public static void main(final String[] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOM.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
                @Override
                public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                    return methodProxy.invokeSuper(objects,args);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }

    static class OOM{

    }
}

6)运行设置

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_jvm_18

7)运行结果

Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
	at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)

jdk8引入元空间来存储方法区后,内存溢出的风险比历史版本小多了,但是在类超出控制的时候,依然会打爆方法区

3.6 一个案例

为便于大家理解和记忆,下面我们用一个案例,把上面各个区串通起来。

假设有个Bootstrap的类,执行main方法。在jvm里,它从class文件到跑起来,大致经过如下步骤:

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_jvm_19
  1. 首先JVM会先将这个Bootstrap.class 信息加载到内存中的方法区
  2. 接着,主线程开辟一块内存空间,准备好程序计数器pc,虚拟机栈、本地方法栈
  3. 然后,JVM会在Heap堆上为Bootstrap.class 创建一个Bootstrap.class 的类实例
  4. JVM开始执行main方法,这时在虚拟机栈里为main方法创建一个栈帧
  5. main方法在执行的过程之中,调用了greeting方法,则JVM会为greeting方法再创建一个栈帧,推到虚拟机栈顶,在main的上面,每次只有一个栈帧处于活动状态,当前为greeting
  6. 当greeting方法运行完成后,则greeting方法出栈,当前活动帧指向main,方法继续往下运行

3.7 归纳总结

【预警】有点干,JVM运行时数据区(计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区)_jvm_20

1)独享/共享的角度:

  • 独享:程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
  • 共享:堆、方法区

2)error的角度:

  • 程序计数器:不会溢出,比较特殊,其他都会
  • 两个栈:可能会发生两种溢出,一是深度超了,报StackOverflowError,空间不足:OutOfMemoryError
  • 堆:只会在空间不足时,报OutOfMemoryError,会提示heapSpace
  • 方法区:空间不足时,报OutOfMemoryError,提示不同,1.6是permspace,1.8是元空间,和它在什么地方有关

3)归属:

  • 计数器、虚拟机栈、本地方法栈:线程创建必须申请配套,真正的物理空间
  • 堆:真正的物理空间,但是内部结构的划分有变动,1.6有永久代,1.8被干掉
  • 方法区:最没归属感的一块,原因就是它是一个逻辑概念。1.6被放在了堆的永久代,1.8被拆分,一部分在元空间,一部分(方法区的运行时常量池里面的类对象,包括字符串常量,被设计放在了堆里)
  • 直接内存:这块实际上不属于运行时数据区的一部分,而是直接操作物理内存。在nio操作里DirectByteBuffer类可以对native操作,避免流在堆内外的拷贝。我们下一步的调优不会涉及到它,了解即可。

好了,关于JVM运行数据区的内容,就告一段落了,如果大家觉得有帮助的话,欢迎点赞 拍砖

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