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JVM进行时-JVM堆栈内存详解

finen...About 11 minJVMJVM

1 结合字节码指令理解Java虚拟机栈和栈帧

官网 ：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.6open in new window

栈帧：每个栈帧对应一个被调用的方法，可以理解为一个方法的运行空间。

每个栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向运行时常量池的引用(A reference to the run-time constant pool)、方法返回地址(Return Address)和附加信息。

每个栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向运行时常量池的引用(A reference to the run-time constant pool)、方法返回地址(Return Address)和附加信息。

操作数栈:以压栈和出栈的方式存储操作数的

动态链接:每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)。

方法返回地址:当一个方法开始执行后,只有两种方式可以退出，一种是遇到方法返回的字节码指令；一种是遇见异常，并且这个异常没有在方法体内得到处理。
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class Person{
    private String name="Jack";
    private int age;
    private final double salary=100;
    private static String address;
    private final static String hobby="Programming";
    public void say(){
        System.out.println("person say...");
    }
    public static int calc(int op1,int op2){
        op1=3;
        int result=op1+op2;
        return result;
    }
    public static void order(){
    }
    public static void main(String[] args){
        calc(1,2);
        order();
    }
}

此时你需要一个能够看懂反编译指令的宝典

比如官网的：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.htmlopen in new window

class Person {
  Person();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: aload_0
       5: ldc           #2                  // String Jack
       7: putfield      #3                  // Field name:Ljava/lang/String;
      10: aload_0
      11: ldc2_w        #4                  // double 100.0d
      14: putfield      #6                  // Field salary:D
      17: return

  public void say();
    Code:
       0: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #8                  // String person say...
       5: invokevirtual #9                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return

  public static int calc(int, int);
    Code:
       0: iconst_3  //将int类型常量3压入[操作数栈]
       1: istore_0  //将int类型值存入局部变量表[局部变量0] ==> op = 3
       2: iload_0   //从[局部变量0]中装载int类型值入栈
       3: iload_1   //从[局部变量1]中装载int类型值入栈
       4: iadd      //将栈顶元素弹出栈，执行int类型的加法，结果入栈
       5: istore_2  //将栈顶int类型值保存到[局部变量2]中
       6: iload_2   //从[局部变量2]中装载int类型值入栈
       7: ireturn   //从方法中返回int类型的数据

  public static void order();
    Code:
       0: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: iconst_1
       1: iconst_2
       2: invokestatic  #10                 // Method calc:(II)I
       5: pop
       6: invokestatic  #11                 // Method order:()V
       9: return
}
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2 折腾一下

2.1栈指向堆

如果在栈帧中有一个变量，类型为引用类型，比如Object obj=new Object()，这时候就是典型的栈中元素指向堆中的对象。

class Person {
    public void order() {
        Object obj = new Object();
    }
}
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2.2 方法区指向堆

方法区中会存放静态变量，常量等数据。如果是下面这种情况，就是典型的方法区中元素指向堆中的对象。

class Person {
    private static Object obj=new Object(); // 方法区指向堆
}
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2.3 堆指向方法区

方法区中会包含类的信息，堆中会有对象，那怎么知道对象是哪个类创建的呢？

思考 ：一个对象怎么知道它是由哪个类创建出来的？怎么记录？这就需要了解一个Java对象的具体信息咯。

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2.4 Java对象内存布局

一个Java对象在内存中包括3个部分：对象头、实例数据和对齐填充

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3 内存模型

3.1 图解

一块是非堆区，一块是堆区。
堆区分为两大块，一个是Old区，一个是Young区。
Young区分为两大块，一个是Survivor区（S0+S1），一块是Eden区。 Eden:S0:S1=8:1:1
S0和S1一样大，也可以叫From和To。
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根据之前对于Heap的介绍可以知道，一般对象和数组的创建会在堆中分配内存空间，关键是堆中有这么多区 域，那一个对象的创建到底在哪个区域呢？

3.2 对象创建所在区域

一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区，一些特殊的大的对象会直接分配到Old区。

比如有对象A，B，C等创建在Eden区，但是Eden区的内存空间肯定有限，比如有100M，假如已经使用了 100M或者达到一个设定的临界值，这时候就需要对Eden内存空间进行清理，即垃圾收集(Garbage Collect)， 这样的GC我们称之为Minor GC，Minor GC指得是Young区的GC。 经过GC之后，有些对象就会被清理掉，有些对象可能还存活着，对于存活着的对象需要将其复制到Survivor 区，然后再清空Eden区中的这些对象。

3.3 Survivor区详解

由图解可以看出，Survivor区分为两块S0和S1，也可以叫做From和To。

在同一个时间点上，S0和S1只能有一个区有数据，另外一个是空的。

接着上面的GC来说，比如一开始只有Eden区和From中有对象，To中是空的。

此时进行一次GC操作，From区中对象的年龄就会+1，我们知道Eden区中所有存活的对象会被复制到To区， From区中还能存活的对象会有两个去处。

若对象年龄达到之前设置好的年龄阈值，此时对象会被移动到Old区，如果Eden区和From区没有达到阈值的

对象会被复制到To区。 此时Eden区和From区已经被清空(被GC的对象肯定没了，没有被GC的对象都有了各 自的去处)

这时候From和To交换角色，之前的From变成了To，之前的To变成了From。

也就是说无论如何都要保证名为To的Survivor区域是空的。

Minor GC会一直重复这样的过程，直到To区被填满，然后会将所有对象复制到老年代中。

从上面的分析可以看出，一般Old区都是年龄比较大的对象，或者相对超过了某个阈值的对象。

在Old区也会有GC的操作，Old区的GC我们称作为Major GC。

3.4 Old区详解

从上面的分析可以看出，一般Old区都是年龄比较大的对象，或者相对超过了某个阈值的对象。 在Old区也会有GC的操作，Old区的GC我们称作为Major GC。

3.5 对象的一辈子理解

我是一个普通的Java对象,我出生在Eden区,在Eden区我还看到和我长的很像的小兄弟,我们在Eden区中玩了挺长时间。有一天Eden区中的人实在是太多了,我就被迫去了Survivor区的“From”区,自从去了Survivor区,我就开始漂了,有时候在Survivor的“From”区,有时候在Survivor的“To”区,居无定所。直到我18岁的时候,爸爸说我成人了,该去社会上闯闯了。
于是我就去了年老代那边,年老代里,人很多,并且年龄都挺大的,我在这里也认识了很多人。在年老代里,我生活了20年(每次GC加一岁),然后被回收。
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3.6 常见问题

  • 如何理解Minor/Major/Full GC

    Minor GC:新生代
Major GC:老年代
Full GC:新生代+老年代

  • 为什么需要Survivor区?只有Eden不行吗？

    如果没有Survivor,Eden区每进行一次Minor GC,并且没有年龄限制的话，存活的对象就会被送到老年代。
这样一来，老年代很快被填满,触发Major GC(因为Major GC一般伴随着Minor GC,也可以看做触发了Full GC)。
老年代的内存空间远大于新生代,进行一次Full GC消耗的时间比Minor GC长得多。
执行时间长有什么坏处?频发的Full GC消耗的时间很长,会影响大型程序的执行和响应速度。

可能你会说，那就对老年代的空间进行增加或者较少咯。
假如增加老年代空间，更多存活对象才能填满老年代。虽然降低Full GC频率，但是随着老年代空间加大,一旦发生Full GC,执行所需要的时间更长。
假如减少老年代空间，虽然Full GC所需时间减少，但是老年代很快被存活对象填满,Full GC频率增加。

所以Survivor的存在意义,就是减少被送到老年代的对象,进而减少Full GC的发生,Survivor的预筛选保证,只有经历16次Minor GC还能在新生代中存活的对象,才会被送到老年代。

  • 为什么需要两个Survivor区?

    最大的好处就是解决了碎片化。也就是说为什么一个Survivor区不行?第一部分中,我们知道了必须设置Survivor区。假设现在只有一个Survivor区,我们来模拟一下流程:
刚刚新建的对象在Eden中,一旦Eden满了,触发一次Minor GC,Eden中的存活对象就会被移动Survivor区。这样继续循环下去,下一次Eden满了的时候,问题来了,此时进行Minor GC,Eden和Survivor各有一些存活对象,如果此时把Eden区的存活对象硬放到Survivor区,很明显这两部分对象所占有的内存是不连续的,也就导致了内存碎片化。
永远有一个Survivor space是空的,另一个非空的Survivor space无碎片。

  • 新生代中Eden:S1:S2为什么是8:1:1？

    新生代中的可用内存：复制算法用来担保的内存为9：1
可用内存中Eden：S1区为8：1
即新生代中Eden:S1:S2 = 8：1：1

4 体验与验证

4.1 使用jvisualvm查看

visualgc插件下载链接 ： https://visualvm.github.io/pluginscenters.htmlopen in new window --->选择对应版本链接--->Tools--->Visual GC

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4.1 堆内存溢出

4.1.1 代码

@RestController
public class HeapController {
    List<Person> list=new ArrayList<Person>();
    @GetMapping("/heap")
    public String heap() throws Exception{
        while(true){
            list.add(new Person());
            Thread.sleep(1);
        }
    }
}

记得设置参数比如-Xmx20M -Xms20M

4.1.2 运行结果

访问->http://localhost:8080/heapopen in new window

Exception in thread "http-nio-8080-exec-2" java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

4.2 方法区内存溢出

比如向方法区中添加Class的信息

4.2.1 asm依赖和Class代码

<dependency>
   <groupId>asm</groupId>
   <artifactId>asm</artifactId>
   <version>3.3.1</version>
</dependency>

public class MetaspaceUtil extends ClassLoader {

    public static List<Class<?>> createClasses() {
        List<Class<?>> classes = new ArrayList<Class<?>>();
        for (int i = 0; i < 10000000; ++i) {
            ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
            cw.visit(Opcodes.V1_1, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null,
                    "java/lang/Object", null);
            MethodVisitor mw = cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC, "<init>",
                    "()V", null, null);
            mw.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 0);
            mw.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESPECIAL, "java/lang/Object",
                    "<init>", "()V");
            mw.visitInsn(Opcodes.RETURN);
            mw.visitMaxs(1, 1);
            mw.visitEnd();
            MetaspaceUtil test = new MetaspaceUtil();
            byte[] code = cw.toByteArray();
            Class<?> exampleClass = test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length);
            classes.add(exampleClass);
        }
        return classes;
    }
}

4.2.2 代码

@RestController
public class NonHeapController {
    List<Class<?>> list=new ArrayList<Class<?>>();
    @GetMapping("/nonheap")
    public String heap() throws Exception{
        while(true){
            list.addAll(MetaspaceUtil.createClasses());
            Thread.sleep(5);
        }
    }
}

4.2.3 运行结果

访问->http://localhost:8080/nonheapopen in new window

java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method) ~[na:1.8.0_191]
at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763) ~[na:1.8.0_191]

4.3 虚拟机栈

4.3.1 代码演示StackOverFlow

public class StackOverFlowDemo {

    public static long count=0;

    public static void method(long i){
        System.out.println(count++);
        method(i);
    }

    public static void main(String[] args) {
        method(1);
    }
}

4.3.2 运行结果

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4.3.3 理解和说明

Stack Space用来做方法的递归调用时压入Stack Frame(栈帧)。所以当递归调用太深的时候，就有可能耗尽StackSpace，爆出StackOverflow的错误。

-Xss128k：设置每个线程的堆栈大小。JDK 5以后每个线程堆栈大小为1M，以前每个线程堆栈大小为256K。根据应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。

线程栈的大小是个双刃剑，如果设置过小，可能会出现栈溢出，特别是在该线程内有递归、大的循环时出现溢出的可能性更大，如果该值设置过大，就有影响到创建栈的数量，如果是多线程的应用，就会出现内存溢出的错误。
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