【JVM专题】JVM内存模型深度剖析与优化

课程内容

一、JDK体系结构与跨平台特性介绍

1、JDK体系结构

JDK：即Java Development Kit，翻译为“Java 语言的软件开发工具包(SDK)”
JRE：Java Runtime Environment，翻译为“Java运行时环境”，顾名思义，JRE可以让计算机系统运行Java应用程序（Java Application）

2、JDK常用的基础命令描述

javac：Java编译器，将Java源代码换成字节码
java：Java解释器，直接从类文件执行Java应用程序代码
javadoc：根据Java源代码及其说明语句生成的HTML文档
jdb：Java调试器，可以逐行地执行程序、设置断点和检查变量
javah：产生可以调用Java过程的C过程，或建立能被Java程序调用的C过程的头文件
javap：Java反汇编器，显示编译类文件中的可访问功能和数据，同时显示字节代码含义
jar：多用途的存档及压缩工具，是个java应用程序，可将多个文件合并为单个JAR归档文件

3、Java语言的跨平台特性

严格来说Java的跨平台不算什么神奇的东西，如果你还记得下载jdk的过程的话，你会回想起，一般jdk有windows版本跟jdk版本。跨平台的本质，其实是jdk在不同系统平台调用对应系统的Api而已。附上一段C/C++跨平台的示例代码：

C++:编写跨平台程序的关键，C/C++中的内置宏定义
分两部分：
 
操作系统判定：
Windows:   WIN32
Linux:   linux
Solaris:   __sun
 
编译器判定：
VC:  _MSC_VER
GCC/G++:   __GNUC__
SunCC:   __SUNPRO_C和__SUNPRO_CC

预编译命令：
#ifdef #endif: 顾名思义，该命令是在编译之前的阶段，作用的if-else。以此实现"选择编译内容"的能力

------------------------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc,char **argv)
{
    int no_os_flag=1;
 
    #ifdef linux // 若为Linux环境，则编译以下代码
       no_os_flag=0;
       cout<<"It is in Linux OS!"<<endl;
    #endif


    #ifdef _UNIX // 若为Unix环境，则编译以下代码
       no_os_flag=0;
       cout<<"It is in UNIX OS!"<<endl;
    #endif


    #ifdef __WINDOWS_ // 若为Windows环境，则编译以下代码
       no_os_flag=0;
       cout<<"It is in Windows OS!"<<endl;
    #endif


    #ifdef _WIN32 // 若为Windows环境，则编译以下代码
       no_os_flag=0;
       cout<<"It is in WIN32 OS!"<<endl;
    #endif

    if(1==no_os_flag){
        cout<<"No OS Defined ,I do not know what the os is!"<<endl;
    }
    return 0;
}

二、JVM内存模型深度剖析

我发现，不少人会以为下图就是JVM的内存模型：

只能说对了一半，但是不全。在讲解完整的JVM模型之前，先附上一段代码，帮助理解：

public class Math {
	public static int count = 1;
	public static User user = new User();

	public void compute() {
		int a = 1;
		int b = 2;
		int c = (a + b) * 10
		return c;
	}
	public static void main(String[] args) {
		Math math = new Math();
		math.compute();
	}
}

我们来分析一下上面代码，都有哪些元素吧：

1个类Math
2个静态变量，分别为int基础类型count，以及new出来的User对象user
1个main方法
main方法中有1个new出来的局部变量，Math对象math，它应该存放在堆中
1个局部方法，compute()
compute方法中有3个int类型局部变量

上面提到的【代码元素】，他们在完整的JVM的内存模型的表现如下：

如上图所示，我将图片用一条红色箭头划分成了两部分。结合上面提到的代码元素，看看上图右边部分——JVM完整内存模型：

堆：是一块用来动态分配内存的，运行时数据区，是java中重要的内存组成部分，它是所有线程共享的。绝大多数java对象、数组都存储在这里。一个典型的现象就是：new出来的对象会被分配在这里。如上图，无论是Math对象，还是静态User对象，都存放在这里。
方法区/元空间（jdk1.8之前也叫做永久代）：是一块用来存储常量、静态变量、类元信息的运行时数据区域，它也是所有线程共享的。与堆不同的是，这里存放的数据，是类级别的，而堆是对象级别。（PS：其实说类元信息什么的有点笼统、抽象，更加详细一点的说法是方法区里存放着类的版本，字段，方法，接口和常量池；常量池里存储着字面量和符号引用，我在下面附上两张类元信息解析图）(常量池具体解释，见下面)

类元信息解析图：（由 jsclasslib插件生成）

再来看看神秘的常量池：

栈（线程）：java官方又叫虚拟机栈。但是用“线程栈”来描述会比较恰当一点。准确的来说，每一条线程在运行时都会开辟一条自己的“线程栈”，使得不同的线程之间彼此独立。所以，线程栈是用来存放线程在运行时产生的一些数据的内存区域，它是每个线程独有的。
本地方法栈：顾名思义，是用来存放本地方法调用链过程的内存区域，它是每个线程独有的。本地方法是什么？即hotspot所有用native修饰的方法。
程序计数器：是一个用来记录代码运行位置的内存区域，它也是每个线程独有的。不同于计算机组成原理中我们知道的程序计数器，这边的程序计数器的维护是由JVM的【字节码执行引擎】完成的。它的作用，是用来在线程上下文切换的过程中，保存当前线程状态，方便再次获得CPU时间片的时候“还原现场”。

说完图的右边，我们再来说说图的左边部分——线程栈的模型。根据图片的信息，我们可以发现有一下元素：

栈帧：一个栈帧对应着一个方法的调用。我们知道方法的调用链跟栈FILO的特性天然契合，所以后调用的栈帧会在先调用的栈帧前面。如main方法栈帧，math.compute方法栈帧
局部变量表：存放方法内生成的局部变量。值得注意的是：如果是基础数据类型，则存放的是基础数据；若为引用类型Object数组等，则存放的，是指向堆内存的一个引用。
操作数栈：跟CPU的寄存器是差不多的工作原理，存放的是当前操作的数据内容，同时也有计算能力。栈字，FILO特性也可见一斑，这里必然存在“压栈”、“出栈”对象。这个对象是谁呢？即：局部变量表中的值。
动态链接：说到动态连接，不得不提一下符号引用。符号引用，在这里，即将compute这个方法的符号替换成指向数据所存内存的指针或句柄等直接引用。对于compute方法来说，这个直接引用则是：方法区常量池中，compute()所有符号所在常量池中的地址。（这里用到常量池，只是为了就是为了一些提供符号的，便于指令的识别）。接着在运行时，这些符号会被转变为compute()方法具体代码在内存中的地址，主要是通过对象头的类型指针去转换引用
方法出口：存放调用链某个节点被发起调用时的起始地址

三、GCRoot与STW机制

什么是GCRoot，什么又是STW机制呢？欲知此，我们必须要先知道一个东西，那就是Java的垃圾回收器，GC（Garbage Collector）。
GC的目标区域是哪里呢？堆。说到这里，我们需要补充一下，堆的内存模型。

堆的内存模型以及分代收集理论

堆分为年轻代跟老年代，默认的，他们的比例为1:2。而年轻代，通常又分为3个区域，分别为：eden区，survivor0区，survivor1区，他们默认的比例为：8:1:1。他们的联系与区别如下：

年轻代：存放“朝生夕死”的对象，通常我们分配在堆里的新对象，都会先放在年轻代中。在这里发生的GC，叫做MinorGC。
- eden：翻译，伊甸园。何为伊甸园？即迎接新生的地方，所以这里又叫：新生区。
- survivor0、survivor1：这两者其实是同一个东西，没什么区别。只不过，因为年轻代采用的GC算法是“复制”算法，所以为了提升复制效率，通常需要一个空的survivor区，来做中间缓存区。
老年代：跟年轻代相反，这里存放的通常都是在前几次（默认15）GC中幸存下来的“老年”对象，所以叫老年代。除了老年对象，这里也可能存放“大对象”，这个在后面会讲解。在这里发生的GC，叫做FullGC/MajorGC。

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将java堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

回到正题，什么是GCRoot跟STW机制呢？这两个东西都是发生在GC过程中的概念。

GCRoot

翻译，即垃圾回收的根节点。它是垃圾回收过程中，用来寻找、标记，垃圾/非垃圾对象的起始点，从它开始遍历，找到所有活动对象并标记它们，将未被标记的对象回收。GCRoot通常为以下对象：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等
方法区中类静态属性引用的对象。例如java类的引用类型静态变量
方法区中常量引用的对象。例如字符串常量池里的引用
本地方法栈中 JNI 引用的对象
被同步锁持有的对象
Java 虚拟机内部的引用。如基本数据类型对应的class对象，一些常驻的异常对象等，还有类加载器

STW

翻译，即停止世界（Stop The World），该机制是指在进行垃圾回收时，Java虚拟机会暂停应用程序的运行，以便进行垃圾回收操作。这意味着在进行垃圾回收时，应用程序将无法继续执行。这对于需要实时响应的应用程序来说是一个问题，因为它们需要保持持续的响应时间

四、JVM参数设置通用模型

先附上一段我当前线上生产应用的jvm参数：

java ‐Xms4096M ‐Xmx4096M ‐Xmn2048M ‐Xss1M ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M ‐jar server.jar

上面这段jvm参数，涉及到的内容刚好跟上图提到的一模一样。接下来解释一下各个参数的意义。

-Xms4096M：初始化堆内存大小为4096M
-Xmx4096M：堆内存最大值为4096M
-Xmn2048M：设置年轻代大小为2048M。PS：增大年轻代后，将会减小年老代大小。此值对系统性能影响较大，Sun官方推荐配置为整个堆的3/8
-Xss1M：设置每个线程栈大小为1M。该值设置越小，一个线程栈里能分配的栈帧就越少，但是对JVM整体来说能开启的线程数会更多
-XX:MetaspaceSize=256M：初始化方法区/元空间大小为256M
‐XX:MaxMetaspaceSize=256M：设置方法区/元空间大小最大为256M

五、Class常量池与运行时常量池

学习总结

JVM的内存模型，可以分为运行时数据区+类加载子系统+字节码执行器。而运行时数据区，则包含：堆（线程共享）方法区/元空间（线程共享），线程栈（每个线程独有一片空间），本地方法栈（每个线程独有一片空间），程序计数器（每个线程独有一片空间）。
线程栈又包含多个栈帧。每调用一个方法，则在线程栈上生成一个栈帧。栈帧是用来存放方法运行中产生的一些数据的。这些数据包括：局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口。
动态链接，跟类加载阶段的静态链接作用一样。只不过后者目标对象是静态方法，而前者则为非静态方法。它是将方法符号，替换为指向数据所存内存的指针或句柄。（读到这里，才发现这东西跟C/C++中提到的虚函数表差不多的意思，后来找到了一篇关于动态链接的博文，算是有点印象了。JVM7：Java虚拟机栈——动态链接（Dynamic Linking））