JVM学习笔记（二）：JVM基本结构

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 2023-01-03
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原文作者：氷泠 原文地址：https://juejin.cn/post/6935354650631602206

1 来源

  • 来源：《Java虚拟机 JVM故障诊断与性能优化》——葛一鸣
  • 章节：第二章

本文是第二章的一些笔记整理。

2 JVM基本参数-Xmx

java命令的一般形式如下：

    java [-options] class [args..]

其中-options表示JVM启动参数，class为带有main()的Java类，args表示传递给main()的参数，也就是main(String [] args)中的参数。

一般设置参数在-optinos处设置，先看一段简单的代码：

    public class Main {
        public static void main(String[] args) {
            for(int i=0;i<args.length;++i) {
                System.out.println("argument "+(i+1)+" : "+args[i]);
            }
            System.out.println("-Xmx "+Runtime.getRuntime().maxMemory()/1024/1024+" M");
        }
    }

设置应用程序参数以及JVM参数：

202301011636037191.png

输出：

202301011636043202.png

可以看到-Xmx32m传递给JVM，使得最大可用堆空间为32MB，参数a作为应用程序参数，传递给main()，此时args.length的值为1。

3 JVM基本结构

202301011636048443.png

各部分介绍如下：

  • 类加载子系统：负责从文件系统或者网络中加载Class信息，加载的类信息存放在一个叫方法区的内存空间中
  • 方法区：除了包含加载的类信息之外，还包含运行时常量池信息，包括字符串字面量以及数字常量
  • Java堆：在虚拟机启动时建立，是最主要的内存工作区域，几乎所有的Java对象实例都存在于Java堆中， 堆空间是所有线程共享的
  • 直接内存：是在Java堆外的，直接向系统申请的内存区域。NIO库允许Java程序使用直接内存，通常直接内存的访问速度要优于Java堆。另外由于直接内存在堆外，大小不会受限于-Xmx指定的堆大小，但是会受到操作系统总内存大小的限制
  • 垃圾回收系统：可以对方法区、Java堆和直接内存进行回收，Java堆是垃圾收集器的工作重点。对于不再使用的垃圾对象，垃圾回收系统会在后台默默工作、默默查找，标识并释放垃圾对象
  • Java栈：每个JVM线程都有一个私有的Java栈，一个线程的Java栈在线程创建时被创建，保存着帧信息、局部变量、方法参数等
  • 本地方法栈：与Java栈类似，不同的是Java栈用于Java方法调用，本地方法栈用于本地方法（native method）调用，JVM允许Java直接调用本地方法
  • PC寄存器：每个线程私有的空间，JVM会为每个线程创建PC寄存器，在任意时刻一个Java线程总是执行一个叫做当前方法的方法，如果当前方法不是本地方法，PC寄存器就会指向当前正在被执行的指令，如果当前方法是本地方法，那么PC寄存器的值就是undefined
  • 执行引擎：负责执行JVM的字节码，现代JVM为了提高执行效率，会使用即时编译技术将方法编译成机器码后执行

下面重点说三部分：Java堆、Java栈以及方法区。

4 Java堆

几乎所有的对象都存在Java堆中，根据垃圾回收机制的不同，Java堆可能拥有不同的结构，最常见的一种是将整个Java堆分为新生代和老年代：

  • 新生代：存放新生对象或年龄不大的对象，有可能分为eden、s0、s1，其中s0和s1分别被称为from和to区域，它们是两块大小相等、可以互换角色的内存空间
  • 老年代：存放老年对象，绝大多数情况下，对象首先在eden分配，在一次新生代回收后，如果对象还存活，会进入s0或s1，之后每经过一次新生代回收，如果对象存活则年龄加1。当对象年龄到达一定条件后，会被认为是老年对象，就会进入老年代

202301011636053164.png

5 Java栈

5.1 简介

Java栈是一块线程私有的内存空间，如果是Java堆与程序数据密切相关，那么Java栈和线程执行密切相关，线程执行的基本行为是函数调用，每次函数调用都是通过Java栈传递的。

Java栈与数据结构中的栈类似，有FIFO的特点，在Java栈中保存的主要内容为 栈帧 ，每次函数调用都会有一个对应的栈帧入栈，每次调用结束就有一个对应的栈帧出栈。栈顶总是当前的帧（当前执行的函数所对应的帧）。栈帧保存着局部变量表、操作数栈、帧数据等。

这里说一下题外话，相信很多读者对StackOverflowError不陌生，这是因为函数调用过多造成的，因为每次函数调用都会生成对应的栈帧，会占用一定的栈空间，如果栈空间不足，函数调用就无法进行，当请求栈深度大于最大可用栈深度时，就会抛出StackOverflowError。

JVM提供了-Xss来指定线程的最大栈空间。

比如，下面这个递归调用的程序：

    public class Main {
        private static int count = 0;
    
        public static void recursion(){
            ++count;
            recursion();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            try{
                recursion();
            }catch (StackOverflowError e){
                System.out.println("Deep of calling = "+count);
            }
        }
    }

指定-Xss1m，结果：

202301011636058215.png

指定-Xss2m：

202301011636065346.png

指定-Xss3m：

202301011636071557.png

可以看到调用深度随着-Xss的增加而增加。

5.2 局部变量表

局部变量表是栈帧的重要组成部分之一，用于保存函数的参数及局部变量。局部变量表中的变量只在当前函数调用中有效，函数调用结束后，函数栈帧销毁，局部变量表也会随之销毁。

5.2.1 参数数量对局部变量表的影响

由于局部变量表在栈帧中，如果函数的参数和局部变量表较多，会使局部变量表膨胀，导致栈帧会占用更多的栈空间，最终减少了函数嵌套调用次数。

比如：

    public class Main {
        private static int count = 0;
    
        public static void recursion(long a,long b,long c){
            long e=1,f=2,g=3,h=4,i=5,k=6,q=7;
    
            count++;
            recursion(a,b,c);
        }
    
        public static void recursion(){
            ++count;
            recursion();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            try{
    //            recursion();
                recursion(0L,1L,2L);
            }catch (StackOverflowError e){
                System.out.println("Deep of calling = "+count);
                count = 0;
            }
        }
    }

无参数的调用次数（-Xss1m）：

202301011636078608.png

带参数的调用次数（-Xss1m）：

202301011636086979.png

可以看到次数明显减少了，原因正是因为局部变量表变大，导致栈帧变大，从而次数减少。

下面使用jclasslib进一步查看，先在IDEA安装如下插件：

2023010116360952010.png

安装后使用插件查看情况：

2023010116361040011.png

第一个函数是带参数的，可以看到最大局部变量表的大小为20字（注意不是字节），Long在局部变量表中需要占用2字。而相比之下不带参数的函数最大局部变量表大小为0：

2023010116361148912.png

5.2.2 槽位复用

局部变量表中的槽位是可以复用的，如果一个局部变量超过了其作用域，则在其作用域之后的局部变量就有可能复用该变量的槽位，这样能够节省资源，比如：

    public static void localVar1(){
        int a = 0;
        System.out.println(a);
        int b = 0;
    }
    
    public static void localVar2(){
        {
            int a = 0;
            System.out.println(a);
        }
        int b = 0;
    }

同样使用jclasslib查看：

2023010116361246313.png

2023010116361398914.png

可以看到少了localVar2的最大局部变量大小为1字，相比localVar1少了1字，继续分析，localVar1第0个槽位为变量a，第1个槽位为变量b：

2023010116361509515.png

而localVar2中的b复用了a的槽位，因此最大变量大小为1字，节约了空间。

2023010116361631616.png

5.2.3 对GC的影响

下面再来看一下局部变量表对垃圾回收的影响，示例：

    public class Main {
        public static void localGC1(){
            byte [] a = new byte[6*1024*1024];
            System.gc();
        }
    
        public static void localGC2(){
            byte [] a = new byte[6*1024*1024];
            a = null;
            System.gc();
        }
    
        public static void localGC3(){
            {
                byte [] a = new byte[6*1024*1024];
            }
            System.gc();
        }
    
        public static void localGC4(){
            {
                byte [] a = new byte[6*1024*1024];
            }
            int c = 10;
            System.gc();
        }
    
        public static void localGC5(){
            localGC1();
            System.gc();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println("-------------localGC1------------");
            localGC1();
            System.out.println();
            System.out.println("-------------localGC2------------");
            localGC2();
            System.out.println();
            System.out.println("-------------localGC3------------");
            localGC3();
            System.out.println();
            System.out.println("-------------localGC4------------");
            localGC4();
            System.out.println();
            System.out.println("-------------localGC5------------");
            localGC5();
            System.out.println();
        }
    }

输出（请加上-Xlog:gc参数）：

    [0.004s][info][gc] Using G1
    -------------localGC1------------
    [0.128s][info][gc] GC(0) Pause Full (System.gc()) 10M->8M(40M) 12.081ms
    
    -------------localGC2------------
    [0.128s][info][gc] GC(1) Pause Young (Concurrent Start) (G1 Humongous Allocation) 9M->8M(40M) 0.264ms
    [0.128s][info][gc] GC(2) Concurrent Cycle
    [0.133s][info][gc] GC(3) Pause Full (System.gc()) 16M->0M(14M) 2.799ms
    [0.133s][info][gc] GC(2) Concurrent Cycle 4.701ms
    
    -------------localGC3------------
    [0.133s][info][gc] GC(4) Pause Young (Concurrent Start) (G1 Humongous Allocation) 0M->0M(14M) 0.203ms
    [0.133s][info][gc] GC(5) Concurrent Cycle
    [0.135s][info][gc] GC(5) Pause Remark 8M->8M(22M) 0.499ms
    [0.138s][info][gc] GC(6) Pause Full (System.gc()) 8M->8M(22M) 2.510ms
    [0.138s][info][gc] GC(5) Concurrent Cycle 4.823ms
    
    -------------localGC4------------
    [0.138s][info][gc] GC(7) Pause Young (Concurrent Start) (G1 Humongous Allocation) 8M->8M(22M) 0.202ms
    [0.138s][info][gc] GC(8) Concurrent Cycle
    [0.142s][info][gc] GC(9) Pause Full (System.gc()) 16M->0M(8M) 2.861ms
    [0.142s][info][gc] GC(8) Concurrent Cycle 3.953ms
    
    -------------localGC5------------
    [0.143s][info][gc] GC(10) Pause Young (Concurrent Start) (G1 Humongous Allocation) 0M->0M(8M) 0.324ms
    [0.143s][info][gc] GC(11) Concurrent Cycle
    [0.145s][info][gc] GC(11) Pause Remark 8M->8M(16M) 0.316ms
    [0.147s][info][gc] GC(12) Pause Full (System.gc()) 8M->8M(18M) 2.402ms
    [0.149s][info][gc] GC(13) Pause Full (System.gc()) 8M->0M(8M) 2.462ms
    [0.149s][info][gc] GC(11) Concurrent Cycle 6.843ms

首行输出表示使用G1，下面逐个进行分析：

  • localGC1：并没有回收内存，因为此时byte数组被变量a引用，因此无法回收
  • localGC2：回收了内存，因为a被设置为了null，byte数组失去强引用
  • localGC3：没有回收内存，虽然此时a变量已经失效，但是仍然存在于局部变量表中，并且指向byte数组，因此无法回收
  • localGC4：回收了内存，因为声明了变量c，复用了a的槽位，导致byte数组失去引用，顺利回收
  • localGC5：回收了内存，虽然localGC1中没有释放内存，但是返回到localGC5后，localGC1的栈帧被销毁，也包括其中的byte数组失去了引用，因此在localGC5中被回收

5.3 操作数栈与帧数据区

操作数栈也是栈帧的重要内容之一，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量的临时存储空间，也是一个FIFO的数据结构。

而帧数据区则保存着常量池指针，方便程序访问常量池，此外，帧数据区也保存着异常处理表，以便在出现异常后，找到处理异常的代码。

5.4 栈上分配

栈上分配是JVM提供的一项优化技术，基本思想是，将线程私有的对象打散分配到栈上，好处是函数调用结束后可以自动销毁，而不需要垃圾回收器的介入，从而提高系统性能。

栈上分配的一个技术基础是逃逸分析，逃逸分析目的是判断对象的作用域是否会逃逸出函数体，例子如下：

    public class Main {
        private static int count = 0;
    
        public static class User{
            public int id = 0;
            public String name = "";
        }
    
        public static void alloc(){
            User user = new User();
            user.id = 5;
            user.name = "test";
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            long b = System.currentTimeMillis();
            for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
                alloc();
            }
            long e = System.currentTimeMillis();
            System.out.println(e-b);
        }
    }

启动参数：

    -server # 开启Server模式，此模式下才能开启逃逸分析
    -Xmx10m # 最大堆内存
    -Xms10m # 初始化堆内存
    -XX:+DoEscapeAnalysis # 开启逃逸分析
    -Xlog:gc # GC日志
    -XX:-UseTLAB # 关闭TLAB
    -XX:+EliminateAllocations # 开启标量替换，默认打开，允许将对象打散分配在栈上

输出如下，没有GC日志：

2023010116361769317.png

而如果关闭了标量替换，也就是添加-XX:-EliminateAllocations，就可以看到会频繁触发GC，因为这时候对象存放在堆上而不是栈上，堆只有10m空间，会频繁进行GC：

2023010116361860418.png

6 方法区

与Java堆一样，方法区是所有线程共享的内存区域，用于保存系统的类信息，比如类字段、方法、常量池等，方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果定义了过多的类，会导致方法区溢出，会直接OOM。

在JDK6/7中方法区可以理解成永久区，JDK8后，永久区被移除，取而代之的是元数据区，可以使用-XX:MaxMetaspaceSize指定，这是一块堆外的直接内存，如果不指定大小，默认情况下JVM会耗尽所有可用的系统内存。

如果元数据区发生溢出，JVM会抛出OOM。

7 Java堆、Java栈以及方法区的关系

看完了Java堆、Java栈以及方法区，最后来一段代码来简单分析一下它们的关系：

    class SimpleHeap{
        private int id;
        public SimpleHeap(int id){
            this.id = id;
        }
    
        public void show(){
            System.out.println("id is "+id);
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            SimpleHeap s1 = new SimpleHeap(1);
            SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);
            s1.show();
            s2.show();
        }
    }

main中创建了两个局部变量s1、s2，则这两个局部变量存放在Java栈中。同时这两个局部变量是SimpleHeap的实例，这两个实例存放在Java堆中，而其中的show方法，则存放在方法区中，图示如下：

2023010116362206319.png

8 小结

本文主要讲述了JVM的基本结构以及一些基础参数，基本结构可以分成三部分：

  • 第一部分：类加载子系统、Java堆、方法区、直接内存
  • 第二部分：Java栈、本地方法栈、PC寄存器
  • 第三部分：执行引擎

而重点讲了三部分：

  • Java堆：常见的结构为新生代+老年代结构，其中新生代可分为edsn、s0、s1
  • Java栈：包括局部变量表、操作数栈与帧数据区，还提到了一个JVM优化技术栈上分配，可以通过-XX:+EliminateAllocation开启（默认开启）
  • 方法区：所有线程共享区域，用于保存类信息，比如类字段、方法、常量等