JVM記憶體模型，你看這一篇就夠了

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時間 2021-09-17 01:01:56 華為雲開發者社群

主題: jdk c++ jmap java

摘要：JVM是一種用於計算裝置的規範，是一個虛構出來的計算機，通過在實際的計算機上模擬模擬各種計算機功能來實現的。

本文分享自華為雲社群《[雲駐共創]JVM記憶體模型的探知之旅》，作者：多米諾的古牌。

1. JVM介紹

1.1 什麼是JVM？

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機器）的簡稱，是一種用於計算裝置的規範，是一個虛構出來的計算機，通過在實際的計算機上模擬模擬各種計算機功能來實現的。

1.2 JVM的優點

1.2.1 一次編寫，到處執行。

JVM可以讓java程式，一次編寫，匯出執行。讓底層程式碼和執行環境分離開，編寫好一份程式碼後，不用再次修改內容，只用通過安裝不同的JVM環境自動進行轉換即可執行，在各種系統中無縫連線。

1.2.2 自動記憶體管理，垃圾回收機制。

在Java誕生之時，C和C++稱霸天下，但是這兩種語言中沒有記憶體管理機制，是通過手動操作來進行的管理，非常麻煩和繁瑣。

此時Java應運而生,為了處理記憶體管理這個方面，專門設計了垃圾回收機制，來自動進行記憶體的管理。極大的優化了操作，讓程式設計師們不用正在噼裡啪啦在碼代的海洋中遨遊時，還要操心記憶體會不會溢位這些“影響我方輸出”的問題，頓時獲得了成噸的好評。

1.2.3 陣列下標越界檢查

在Java誕生之時，還有個讓當時C和C++大佬頭疼的問題是，陣列下標越界是沒有檢查機制的，這還了得，又是一個影響“我方暴力輸出”的罪魁禍首，因此JVM繼續抱著暖男的思想，又來了個愛的抱抱。

JVM又一次看見了大佬們的煩惱，果斷提供了陣列下標越界的自動檢查機制，在檢測到陣列下標出現越界後，會在執行時自動丟擲“java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException”這個異常，在當時可是感動了很多業界大佬（我猜的）。

1.2.4 多型

JVM還有一個多型功能，是通過相同介面，不同的例項進行實現，完成不同的業務操作，比如：定義了一個動物介面（裡面有一個吃的方法），我們就可以通過這個動物創造小貓（吃魚），再創造一個狗狗（吃肉），再創造一個小助手（吃零食，O(∩_∩)O哈哈~）。

仔細想想，對我們有啥影響呢，那好處老多了，比如：

（1）消除型別之間的耦合關係；

（2）可替換性；

（3）可擴充性；

（4）介面性；

（5）靈活性；

（6）簡化性；

1.3 JVM、JRE、JDK之間的關係

1.3.1 JVM的簡介

JVM是Java Virtual Machine的簡稱，是Java虛擬機器，是一種模擬出來的虛擬計算機，它通過在不同的計算機環境當中模擬實現計算功能來實現的。

引入Java虛擬機器後，Java語言在不同平臺上執行時就不需要重新編譯。在其中，Java虛擬機器遮蔽了與具體平臺的相關資訊，使得Java源程式在編譯完成之後即可在不同的平臺執行，達到“一次編譯，到處執行”的目的，Java語言重要的特點之一跨平臺，也即與平臺的無關性，其關鍵點就是JVM。

1.3.2 JRE的簡介

JRE是Java Runtime Environment的簡稱，是Java執行環境，是讓作業系統執行Java應用程式的環境，其內部包含JVM，也就是說JRE只負責對已經存在的Java源程式進行執行的操作，它不包含開發工具JDK，對JDK內部的編譯器、偵錯程式和其它工具均不包含。

1.3.3 JDK的簡介

JDK是Java Development Kit的簡稱，是Java開發工具包，是整個Java程式開發的核心。其主要包含了JRE、Java的系統類庫以及對Java程式進行編譯以及執行的工具，例如：javac.exe和java.exe命令工具等。

1.4 JVM的常見實現

Oracle（Hotspot、Jrockit）、BEA（LiquidVM）、IBM（J9）、taobaoVM（淘寶專用，對Hotspot進行了深度定製）、zing（垃圾回收機制非常快，到達1毫秒左右）。

1.5 JVM的記憶體結構圖

當Java程式編譯完成為.class檔案==》類載入器（ClassLoader）==》將位元組碼檔案載入進JVM中；

1.5.1方法區、堆

方法區中儲存的主要是類的資訊（類的屬性、成員變數、建構函式等）、堆（建立的物件）。

1.5.2虛擬機器棧、程式計數器、本地方法棧

堆中的物件呼叫方法時，方法會執行在虛擬機器棧、程式計數器、本地方法棧中。

1.5.3執行引擎

執行方法中程式碼時，程式碼通過執行引擎執行中的“直譯器”執行；方法中經常呼叫的程式碼，即熱點程式碼，通過“即時編譯器”執行，其執行速度非常快。

1.5.4 GC（垃圾回收機制）

GC是針對堆記憶體中沒有引用的物件進行回收，可以手動也可以自動。

1.5.5本地方法介面

因為JVM不能直接呼叫作業系統的功能，只能通過本地方法介面來呼叫作業系統的功能。

2. JVM記憶體結構-程式計數器

2.1 程式計數器的定義

Program Counter Register即程式計數器（暫存器），用於記錄下一條Jvm指令的執行地址。

2.2 操作步驟

javap主要用於操作JVM，javap -c 是對java程式碼進行反彙編操作。下圖為通過先編譯demo.java後，再執行javap -c demo的輸出結果：

其中第一列為二進位制位元組碼，即JVM指令，第二列為java原始碼。第一列中的序號為JVM指令的執行地址。

JVM會通過程式計數器記錄下一條需要執行的JVM指令的地址（比如第一行的0），然後交給直譯器解析為機器碼，最後交給cpu（只能識別機器碼），完成一行的執行。

想要執行下一行，繼續讓JVM的程式計數器記錄下一條地址（比如第二行的3），再交給直譯器解析後給cpu，以此類推執行結束。

2.3 特點

2.3.1 執行緒私有的

2.3.2 不會存在記憶體溢位

3. JVM記憶體結構-虛擬機器棧

3.1 定義

虛擬機器棧是每個執行緒執行所需要的記憶體空間，每個棧中由多個棧幀組成，每個執行緒中只能有一個活動棧幀（對應當前正在執行的方法），所有棧幀都遵循後進先出，先進後出的原則。

棧幀是每次呼叫方法時所佔用的記憶體，在棧幀中儲存的內容引數、區域性變數、返回地址。

注1：垃圾回收不涉及棧記憶體，因為棧記憶體是由方法呼叫產生的，當方法呼叫結束後會彈出棧。

注2：棧記憶體不是分配的越大越好，因為實體記憶體是一定的，棧記憶體越大，可以支援更多的遞迴呼叫，但是可執行的執行緒數會越來越少。

注3：方法的區域性變數，當其沒有逃離方法的作用範圍時，是執行緒安全的；如果其引用了物件（比如靜態變數，即共享變數，用物件作為引數的方法，返回值為物件的方法），並且逃離出了方法的作用範圍，就需要考慮執行緒安全的問題了。

3.2 棧記憶體溢位

3.2.1 發生原因

（1）虛擬機器棧中，棧幀過多（無限遞迴），如圖1棧幀過多；

（2）每個棧幀所佔用過大，如圖2 棧幀過大。

3.2.2 棧記憶體溢位小實驗

3.2.2.1 棧幀過多的小實驗

無限遞迴呼叫（棧幀過多）的小實驗，method1()方法在主方法中無限呼叫自己，那麼會發生什麼情況呢？

答案很明顯，程式崩潰了，產生了棧記憶體溢位錯誤，如下圖所示：

-Xss:該引數規定了每個執行緒虛擬機器棧的大小；

接著我們通過設定一個虛擬機器棧的大小是256k試試會發生什麼？

我們發現當我們調整了虛擬機器棧的大小後執行了4315次方法後記憶體就溢位了，而調整虛擬機器棧之前，我們是23268次，很明顯我們可以通過-Xss引數調整虛擬機器棧的大小來控制記憶體的溢位情況。

3.2.2.2 執行緒執行診斷小實驗

想象中的場景，大佬在瘋狂輸出，突然CPU爆表了，顯示CPU佔用過多，如何去定位哪行程式碼的問題，是的是哪行（大佬都很忙的好嗎，當然要精確了，一分鐘幾千萬上下的，O(∩_∩)O哈哈~）？

Linux環境下：

在後臺執行Stack_6這個java位元組碼（.class）檔案：

注：無論是否將nohup命令的輸出重定向到終端,輸出都將附加到當前目錄的 nohup.out 檔案中。

（1）通過top命令，檢視程序（相當於工作管理員），發現了一個佔用CPU達到100%的可疑傢伙，這還了得，趕緊瞅瞅具體發生了什麼，還有沒有王法，這讓其他小夥伴還怎麼愉快的玩耍，秒速糾錯ING。。。

注：top命令，檢視哪個程序佔用CPU過高，返回程序號。

（2）通過ps H -eo pid,tid ,%cpu | grep 命令過濾工作管理員中的內容。

注：ps H -eo pid,tid,%cpu |grep，是通過ps命令檢視哪個執行緒佔用CPU過高，返回程序id，其中pid為程序id，tid為執行緒id，%cpu為CPU佔用情況；

發現了罪魁禍首，這一串串心驚肉跳的紅色。。。

（3）通過jstack 程序id檢視，20389這個有問題的程序中具體的情況。

注：jstack 程序id，是通過jstack 命令定位具體哪段程式碼出現佔用CPU過高，注意jstack命令查詢的執行緒id是16進位制的，需要轉換；

發現裡面有一堆執行的程式碼，那麼我們怎麼找到具體是哪個傢伙搞事情的呢？上圖我們可以發現搞事情的執行緒是20441，那麼我們通過計算器將20441轉換為16進位制的4FD9再去試試，真相只有一個。

通過對比nid（執行緒id）4fd9，我們發現這個叫thread1的執行緒一直在執行（RUNNABLE狀態），並且檢視到位置是位於Stack_6.java檔案的第11行出現的問題。。。

現在我們回到原始碼中，在Stack_6檔案的第11行，我們發現原來這裡一直在執行死迴圈，終於找到你，還好我沒放棄，奈斯~

4. JVM記憶體結構-本地方法棧

4.1 定義

由於Java本身有時候是無法直接和作業系統底層互動的，但有時候需要Java呼叫本地的C或C++方法，所以此時本地方法棧應運而生，它們是一類帶有native關鍵字的方法。

5. JVM記憶體結構-堆

5.1 定義

Heap堆：是通過new關鍵字建立的物件存放在堆中

5.2 特點

5.2.1執行緒共享

堆中存放的物件都是執行緒共享的，因此都是需要考慮執行緒安全問題的。

5.2.2有垃圾回收機制

因為堆中存放的物件存放了大量的物件，因此給他配了個小助手——垃圾回收機制（可以調自動擋和手動擋哦~）。

5.3 堆記憶體溢位小實驗

5.3.1 修改堆記憶體大小引數的小實驗

繼續幻想一個場景，當一個大佬開發完一個段程式碼的時候（當然一般大佬都是很自信的，我寫的程式碼怎麼可能有問題，不存在的。。。），但是測試可跑不了，穩妥起見咱們還是默默得搞測試試試嘛，安全第一。但是機器的記憶體就這麼大，大佬肯定跑了很多次了，都沒出現問題的，這不是找茬嘛。。。還是默默改下機子引數再試試吧（想去懟大佬，一定要拿出證據嘛~）。

-Xmx：JVM調優引數之一，該引數表示java堆可以擴充套件到的最大值。下面上案例：