JVM內(nèi)存模型總結(jié)和上手實(shí)踐，親測(cè)學(xué)完沒(méi)脫發(fā)！
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目錄
- 一、前言
- 二、面試題
- 三、 JDK1.6、JDK1.7、JDK1.8 內(nèi)存模型演變
- 四、內(nèi)存模型各區(qū)域介紹
- 1. 程序計(jì)數(shù)器
- 2. Java虛擬機(jī)棧
- 3. 本地方法棧
- 4. 堆和元空間
- 5. 常量池
- 五、手?jǐn)]虛擬機(jī)(內(nèi)存模型)
- 1. 工程結(jié)構(gòu)
- 2. 重點(diǎn)代碼
- 六、jconsole監(jiān)測(cè)元空間溢出
- 1. 找段持續(xù)創(chuàng)建大對(duì)象的代碼
- 2. 調(diào)整元空間大小
- 3. 設(shè)置監(jiān)控參數(shù)
- 4. 測(cè)試運(yùn)行
- 七、總結(jié)
- 八、系列推薦
一、前言
看了一篇文章30歲有多難!
每篇文章的開(kāi)篇總喜歡寫(xiě)一些，從個(gè)人視角看這個(gè)世界的感悟。
最近看到一篇文章，30歲有多難。文中的一些主人公好像在學(xué)業(yè)、工作、生活、愛(ài)情等方面都過(guò)的都不如意。要不是錯(cuò)過(guò)這，要不是走錯(cuò)那?？偨Y(jié)來(lái)看，就像是很倒霉的一群倒霉蛋兒在跟生活對(duì)干!
但其實(shí)每個(gè)人可能都遇到過(guò)生活中最難的時(shí)候，或早或晚。就像我剛畢業(yè)不久時(shí)一連串遇到;冬天里丟過(guò)第一部手機(jī)、修一個(gè)進(jìn)了水的電腦、租的房子第一次被騙，一連串下來(lái)頭一次要趕在工資沒(méi)發(fā)的時(shí)候，選擇少吃早飯還是午飯，看看能扛過(guò)去那頓。
哈哈哈哈哈，現(xiàn)在想想還挺有意思的，不過(guò)這些亂遭的事很多是自己的意識(shí)和能力不足時(shí)做出的錯(cuò)誤選擇而導(dǎo)致的。
人那，想開(kāi)車就要考駕照，想走遠(yuǎn)就要有能力。多提升認(rèn)知，多拓寬眼界!生活的意義就是不斷的更新自己!
二、面試題
謝飛機(jī)，小記!，冬風(fēng)吹、戰(zhàn)鼓擂。被窩里，誰(shuí)怕誰(shuí)。
「謝飛機(jī)」：歪?大哥，你在嗎?
「面試官」：咋了，大周末的，這么早打電話!?
「謝飛機(jī)」：我夢(mèng)見(jiàn)，我去谷歌寫(xiě)JVM了，給你們公司用，之后蹦了，讓我起來(lái)改bug!
「面試官」：啊!?啊，那我問(wèn)你，JDK 1.8 與 JDK 1.7 在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的設(shè)計(jì)上，你都怎么做的優(yōu)化策略的?
「謝飛機(jī)」：我沒(méi)寫(xiě)這，我不知道!
「面試官」：擦。。。
三、 JDK1.6、JDK1.7、JDK1.8 內(nèi)存模型演變
圖 25-1 JDK1.6、JDK1.7、JDK1.8，內(nèi)存模型演變
如圖 25-1 是 JDK 1.6、1.7、1.8 的內(nèi)存模型演變過(guò)程，其實(shí)這個(gè)內(nèi)存模型就是 JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)依照J(rèn)VM虛擬機(jī)規(guī)范的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
在圖 25-1 中各個(gè)版本的迭代都是為了更好的適應(yīng)CPU性能提升，最大限度提升的JVM運(yùn)行效率。這些版本的JVM內(nèi)存模型主要有以下差異：
- JDK 1.6：有永久代，靜態(tài)變量存放在永久代上。
- JDK 1.7：有永久代，但已經(jīng)把字符串常量池、靜態(tài)變量，存放在堆上。逐漸的減少永久代的使用。
- JDK 1.8：無(wú)永久代，運(yùn)行時(shí)常量池、類常量池，都保存在元數(shù)據(jù)區(qū)，也就是常說(shuō)的元空間。但字符串常量池仍然存放在堆上。
四、內(nèi)存模型各區(qū)域介紹
1. 程序計(jì)數(shù)器
較小的內(nèi)存空間、線程私有，記錄當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼行號(hào)。
如果執(zhí)行 Java 方法，計(jì)數(shù)器記錄虛擬機(jī)字節(jié)碼當(dāng)前指令的地址，本地方法則為空。
這一塊區(qū)域沒(méi)有任何 OutOfMemoryError 定義。
「以上」，就是關(guān)于程序計(jì)數(shù)器的定義，如果這樣看沒(méi)有感覺(jué)，我們舉一個(gè)例子。
定義一段 Java 方法的代碼，這段代碼是計(jì)算圓形的周長(zhǎng)。
- public static float circumference(float r){
- float pi = 3.14f;
- float area = 2 * pi * r;
- return area;
- }
接下來(lái)，如圖 25-2 是這段代碼的在虛擬機(jī)中的執(zhí)行過(guò)程，左側(cè)是它的程序計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的行號(hào)。
圖 25-2 程序計(jì)數(shù)器
這些行號(hào)每一個(gè)都會(huì)對(duì)應(yīng)一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，是壓棧還是彈出或是執(zhí)行計(jì)算。
之所以說(shuō)是線程私有的，因?yàn)槿绻皇撬接械模敲凑麄€(gè)計(jì)算過(guò)程最終的結(jié)果也將錯(cuò)誤。
2. Java虛擬機(jī)棧
- 每一個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)，都會(huì)創(chuàng)建出一個(gè)棧幀，用于存放局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口、線程等信息。
- 方法從調(diào)用到執(zhí)行完成，都對(duì)應(yīng)著棧幀從虛擬機(jī)中入棧和出棧的過(guò)程。
- 最終，棧幀會(huì)隨著方法的創(chuàng)建到結(jié)束而銷毀。
可能這么只從定義看上去仍然沒(méi)有什么感覺(jué)，我們?cè)僬乙粋€(gè)例子。
這是一個(gè)關(guān)于斐波那契數(shù)列(Fibonacci sequence)求值的例子，我們通過(guò)斐波那契數(shù)列在虛擬機(jī)中的執(zhí)行過(guò)程，來(lái)體會(huì)Java虛擬機(jī)棧的用途。
斐波那契數(shù)列(Fibonacci sequence)，又稱黃金分割數(shù)列、因數(shù)學(xué)家列昂納多·斐波那契(Leonardoda Fibonacci)以兔子繁殖為例子而引入，故又稱為“兔子數(shù)列”，指的是這樣一個(gè)數(shù)列：1、1、2、3、5、8、13、21、34、……在數(shù)學(xué)上，斐波納契數(shù)列以如下被以遞推的方法定義：F(1)=1，F(xiàn)(2)=1, F(n)=F(n-1)+F(n-2)(n>=3，n∈N*)在現(xiàn)代物理、準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)等領(lǐng)域，斐波納契數(shù)列都有直接的應(yīng)用，為此，美國(guó)數(shù)學(xué)會(huì)從1963年起出版了以《斐波納契數(shù)列季刊》為名的一份數(shù)學(xué)雜志，用于專門(mén)刊載這方面的研究成果。
圖 25-3 斐波那契數(shù)列在虛擬機(jī)棧中的執(zhí)行過(guò)程
整個(gè)這段流程，就是方法的調(diào)用和返回。在調(diào)用過(guò)程申請(qǐng)了操作數(shù)棧的深度和局部變量的大小。
以及相應(yīng)的信息從各個(gè)區(qū)域獲取并操作，其實(shí)也就是入棧和出棧的過(guò)程。
3. 本地方法棧
本地方法棧與Java虛擬機(jī)棧作用類似，唯一不同的就是本地方法棧執(zhí)行的是Native方法，而虛擬機(jī)棧是為JVM執(zhí)行Java方法服務(wù)的。
另外，與 Java 虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧也會(huì)拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。
JDK1.8 HotSpot虛擬機(jī)直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。
關(guān)于本地方法棧在以上的例子已經(jīng)涉及了這部分內(nèi)容，這里就不在贅述了。
4. 堆和元空間
圖 25-4 Java 堆區(qū)域劃分
- JDK 1.8 JVM 的內(nèi)存結(jié)構(gòu)主要由三大塊組成：堆內(nèi)存、元空間和棧，Java 堆是內(nèi)存空間占據(jù)最大的一塊區(qū)域。
- Java 堆，由年輕代和年老代組成，分別占據(jù)1/3和2/3。
- 而年輕代又分為三部分，「Eden」、「From Survivor」、「To Survivor」，占據(jù)比例為8:1:1，可調(diào)。
- 另外這里我們特意畫(huà)出了元空間，也就是直接內(nèi)存區(qū)域。在 JDK 1.8 之后就不在堆上分配方法區(qū)了。
- 「元空間」從虛擬機(jī)Java堆中轉(zhuǎn)移到本地內(nèi)存，默認(rèn)情況下，元空間的大小僅受本地內(nèi)存的限制，說(shuō)白了也就是以后不會(huì)因?yàn)橛谰么臻g不夠而拋出OOM異常出現(xiàn)了。jdk1.8以前版本的 class和JAR包數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 PermGen下面 ，PermGen 大小是固定的，而且項(xiàng)目之間無(wú)法共用，公有的 class，所以比較容易出現(xiàn)OOM異常。
- 升級(jí) JDK 1.8后，元空間配置參數(shù)，-XX:MetaspaceSize=512M XX:MaxMetaspaceSize=1024M。教你個(gè)小技巧通過(guò)jps、jinfo查看元空間，如下：
通過(guò)命令查看元空間
通過(guò)jinfo查看默認(rèn)MetaspaceSize大小(約20M),MaxMetaspaceSize比較大。
「其他：關(guān)于 JDK1.8 元空間的介紹：」 Move part of the contents of the permanent generation in Hotspot to the Java heap and the remainder to native memory. http://openjdk.java.net/jeps/122
5. 常量池
從 JDK 1.7開(kāi)始把常量池從永久代中剝離，直到 JDK1.8 去掉了永久代。而字符串常量池一直放在堆空間，用于存儲(chǔ)字符串對(duì)象，或是字符串對(duì)象的引用。
五、手?jǐn)]虛擬機(jī)(內(nèi)存模型)
其實(shí)以上的內(nèi)容，已經(jīng)完整的介紹了JVM虛擬機(jī)的內(nèi)存模型，也就是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的結(jié)構(gòu)。但是這東西看完可能就忘記了，因?yàn)槿鄙僖粋€(gè)可親手操作的代碼。
「所以」，這里我給大家用Java代碼寫(xiě)一段關(guān)于數(shù)據(jù)槽、棧幀、局部變量、虛擬機(jī)棧以及堆的代碼結(jié)構(gòu)，讓大家更好的加深對(duì)虛擬機(jī)內(nèi)存模型的印象。
1. 工程結(jié)構(gòu)
運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)
- 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)
- ├── heap
- │ ├── constantpool
- │ ├── methodarea
- │ │ ├── Class.java
- │ │ ├── ClassMember.java
- │ │ ├── Field.java
- │ │ ├── Method.java
- │ │ ├── MethodDescriptor.java
- │ │ ├── MethodDescriptorParser.java
- │ │ ├── MethodLookup.java
- │ │ ├── Object.java
- │ │ ├── Slots.java
- │ │ └── StringPool.java
- │ └── ClassLoader.java
- ├── Frame.java
- ├── JvmStack.java
- ├── LocalVars.java
- ├── OperandStack.java
- ├── Slot.java
- └── Thread.java
以上這部分就是使用Java實(shí)現(xiàn)的部分JVM虛擬機(jī)功能，這部分主要包括如下內(nèi)容：
- Frame，棧幀
- JvmStack，虛擬機(jī)棧
- LocalVars，局部變量
- OperandStack，操作數(shù)棧
- Slot，數(shù)據(jù)槽
- Thread，線程
- heap，堆，里面包括常量池和方法區(qū)
2. 重點(diǎn)代碼
「操作數(shù)棧 OperandStack」
- public class OperandStack {
- private int size = 0;
- private Slot[] slots;
- public OperandStack(int maxStack) {
- if (maxStack > 0) {
- slots = new Slot[maxStack];
- for (int i = 0; i < maxStack; i++) {
- slots[i] = new Slot();
- }
- }
- }
- //...
- }
「虛擬機(jī)棧 OperandStack」
- public class JvmStack {
- private int maxSize;
- private int size;
- private Frame _top;
- //...
- }
「棧幀 Frame」
- public class Frame {
- //stack is implemented as linked list
- Frame lower;
- //局部變量表
- private LocalVars localVars;
- //操作數(shù)棧
- private OperandStack operandStack;
- private Thread thread;
- private Method method;
- private int nextPC;
- //...
- }
- 關(guān)于代碼結(jié)構(gòu)看到這有點(diǎn)感覺(jué)了嗎?
- Slot數(shù)據(jù)槽，就是一個(gè)數(shù)組結(jié)構(gòu)，用于存放數(shù)據(jù)的。
- 操作數(shù)棧、局部變量表，都是使用數(shù)據(jù)槽進(jìn)行入棧入棧操作。
- 在棧幀里，可以看到連接、局部變量表、操作數(shù)棧、方法、線程等，那么文中說(shuō)到的當(dāng)有一個(gè)新的每一個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)，都會(huì)創(chuàng)建出一個(gè)棧幀，是不就對(duì)了上，可以真的理解了。
- 如果你對(duì)JVM的實(shí)現(xiàn)感興趣，可以閱讀用Java實(shí)現(xiàn)JVM源碼：https://github.com/fuzhengwei/itstack-demo-jvm
六、jconsole監(jiān)測(cè)元空間溢出
不是說(shuō) JDK 1.8 的內(nèi)存模型把永久代下掉，換上元空間了嗎?但不測(cè)試下，就感受不到呀，沒(méi)有證據(jù)!
所有關(guān)于代碼邏輯的學(xué)習(xí)，都需要有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和證明過(guò)程，這樣才能有深刻的印象。走著，帶你把元空間干滿，讓它OOM!
1. 找段持續(xù)創(chuàng)建大對(duì)象的代碼
- public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
- Thread.sleep(5000);
- ClassLoadingMXBean loadingBean = ManagementFactory.getClassLoadingMXBean();
- while (true) {
- Enhancer enhancer = new Enhancer();
- enhancer.setSuperclass(MetaSpaceOomMock.class);
- enhancer.setCallbackTypes(new Class[]{Dispatcher.class, MethodInterceptor.class});
- enhancer.setCallbackFilter(new CallbackFilter() {
- @Override
- public int accept(Method method) {
- return 1;
- }
- @Override
- public boolean equals(Object obj) {
- return super.equals(obj);
- }
- });
- System.out.println(enhancer.createClass().getName() + loadingBean.getTotalLoadedClassCount() + loadingBean.getLoadedClassCount() + loadingBean.getUnloadedClassCount());
- }
- }
網(wǎng)上找了一段基于CGLIB的，你可以寫(xiě)一些其他的。
Thread.sleep(5000);，睡一會(huì)，方便我們點(diǎn)檢測(cè)，要不程序太快就異常了。
2. 調(diào)整元空間大小
默認(rèn)情況下元空間太大了，不方便測(cè)試出結(jié)果，所以我們把它調(diào)的小一點(diǎn)。
- -XX:MetaspaceSize=8m
- -XX:MaxMetaspaceSize=80m
3. 設(shè)置監(jiān)控參數(shù)
基于 jconsole 監(jiān)控，我們需要設(shè)置下參數(shù)。
- -Djava.rmi.server.hostname=127.0.0.1
- -Dcom.sun.management.jmxremote
- -Dcom.sun.management.jmxremote.port=7397
- -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false
- -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false
4. 測(cè)試運(yùn)行
4.1 配置參數(shù)
「以上的測(cè)試參數(shù)」，配置到IDEA中運(yùn)行程序里就可以，如下：
圖 25-5 設(shè)置程序運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)控OOM
另外，jconsole 可以通過(guò) IDEA 提供的 Terminal 啟動(dòng)，直接輸入 jconsole，回車即可。
4.2 測(cè)試結(jié)果
- org.itstack.interview.MetaSpaceOomMock$$EnhancerByCGLIB$$bd2bb16e999099900
- org.itstack.interview.MetaSpaceOomMock$$EnhancerByCGLIB$$9c774e64999199910
- org.itstack.interview.MetaSpaceOomMock$$EnhancerByCGLIB$$cac97732999299920
- org.itstack.interview.MetaSpaceOomMock$$EnhancerByCGLIB$$91c6a15a999399930
- Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: Unable to load cache item
- at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache.createEntry(LoadingCache.java:79)
- at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache.get(LoadingCache.java:34)
- at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:119)
- at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:294)
- at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)
- at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createClass(Enhancer.java:337)
- at org.itstack.interview.MetaSpaceOomMock.main(MetaSpaceOomMock.java:34)
- Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
- at java.lang.Class.forName0(Native Method)
- at java.lang.Class.forName(Class.java:348)
- at net.sf.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:467)
- at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:339)
- at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)
- at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData$3.apply(AbstractClassGenerator.java:96)
- at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData$3.apply(AbstractClassGenerator.java:94)
- at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache$2.call(LoadingCache.java:54)
- at java.util.concurrent.FutureTask.run$$$capture(FutureTask.java:266)
- at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java)
- at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache.createEntry(LoadingCache.java:61)
- ... 6 more
要的就是這句，java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace，元空間OOM，證明 JDK1.8 已經(jīng)去掉永久代，換位元空間。
4.3 監(jiān)控截圖
圖 25-6 jconsole監(jiān)測(cè)元空間溢出
圖 25-6，就是監(jiān)測(cè)程序OOM時(shí)的元空間表現(xiàn)。這回對(duì)這個(gè)元空間就有感覺(jué)了吧!
七、總結(jié)
本文從 JDK 各個(gè)版本關(guān)于內(nèi)存模型結(jié)構(gòu)的演變，來(lái)了解各個(gè)區(qū)域，包括：程序計(jì)數(shù)器、Java 虛擬機(jī)棧、本地方法棧、堆和元空間。并了解從 JDK 1.8 開(kāi)始去掉方法區(qū)引入元空間的核心目的和作用。
在通過(guò)手?jǐn)]JVM代碼的方式讓大家對(duì)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)有一個(gè)整體的認(rèn)知，也通過(guò)這樣的方式讓大家對(duì)學(xué)習(xí)這部分知識(shí)有一個(gè)抓手。
最后我們通過(guò) jconsole 檢測(cè)元空間溢出的整個(gè)過(guò)程，來(lái)學(xué)以致用，看看元空間到底在解決什么問(wèn)題以及怎么測(cè)試。
