Java メモリ構造
定義:JVM正式名は Java 仮想マシンです - Java プログラムの実行環境 (Java バイナリ バイトコードの実行環境)
#利点:
JVM アーキテクチャ
図に示すように、
a クラスが Java ソース コード (.java ファイル) から Java バイナリ バイトコードにコンパイルされた後、クラスは、実行する前に JVM にロードされる前にクラス ローダーを通過する必要があります。 通常、クラスはメソッド領域に配置します。今後クラスによって作成されるオブジェクトはヒープに配置され、ヒープ内のオブジェクトは、メソッドを呼び出すときにローカル開発だけでなく、仮想マシンのスタックやプログラム カウンターも使用します。
メソッドが実行されると、コードの各行が実行エンジンのインタープリターによって 1 行ずつ実行されます。メソッド内のホット コードは、頻繁に呼び出され、ジャストインタイム コンパイラによってコンパイルおよび実行されるコードです。 GC はガベージを収集します。 
ローカル メソッド インターフェイスを通じて、オペレーティング システムが提供する関数を呼び出すことができます。
JVM のメモリ構造には次のものが含まれます。
1. メソッド領域
3. 仮想マシン スタック 4. ローカル メソッド スタック
5 .Heap
2.Program Counter
2.1.Definition
Program Counter RegisterProgram Counter( Register) 関数:
次の jvm 命令の実行アドレスを記憶するためです 機能 スレッドに対してプライベートです
メモリ オーバーフローはありません
(メモリ構造の中で唯一メモリオーバーフローしない構造）
2.2ではプログラムカウンタの機能と特徴について説明します。
二进制字节码 JVM指令 Java源代码 0: getstatic #20 // PrintStream out = System.out; 3: astore_1 // - 4: aload_1 // out.println(1); 5: iconst_1 // - 6: invokevirtual #26 // - 9: aload_1 // out.println(2); 10: iconst_2 // - 11: invokevirtual #26 // - 14: aload_1 // out.println(3); 15: iconst_3 // - 16: invokevirtual #26 // - 19: aload_1 // out.println(4); 20: iconst_4 // - 21: invokevirtual #26 // - 24: aload_1 // out.println(5); 25: iconst_5 // - 26: invokevirtual #26 // - 29: return
System.out の最初の行では、変数に値を代入し、4 でそれを呼び出しています。 : println() メソッド。次に、1、2、3、4、5 を順番に出力します。これらの命令は実行のために CPU に直接渡すことができず、インタプリタを経由する必要があります。バイトコード命令を 1 つずつマシン コードに解釈し、そのマシン コードを CPU に渡して実行することができます。 つまり、
バイナリ バイトコード -> インタプリタ -> マシン コード -> CPU
実際、プログラム カウンターの機能は、命令の実行中に記録することです。 . 次の JVM 命令の実行アドレスをライブします。
上記のバイナリ バイトコードの前にある数字 0、3、4 は、アドレスとして理解できます。このアドレス情報に基づいて、実行するコマンドを見つけることができます。 命令が実行のために CPU に与えられるたびに、プログラム カウンタは次の命令のアドレスをプログラム カウンタに入れます。命令の実行が完了すると、インタプリタはプログラムに移動します。カウンタ 次の命令のアドレスを取得します。次に、それはインタプリタによってマシンコードに解釈され、実行のために CPU に渡されます。その後、このプロセスを繰り返してください。
物理的には、プログラム カウンタはレジスタを通じて実装されます。レジスタは、CPU コンポーネントの中で最も高速に読み取るストレージ ユニットです。
程序计数器是线程私有的
假如说上述代码都在线程1中运行，同时运行的还有线程2和线程3，多个线程运行的时候，CPU会给每个线程分配时间片，给线程1分配时间片，如果线程1在指定的时间没有运行完，它就会把状态暂存，切换到线程2，线程2执行自己的代码。线程2执行完了，再继续执行线程1的代码，在线程切换的过程中，我们要记住下一条指令的执行地址。就需要用到程序计数器。假如说线程1刚开始执行到第9行代码，恰好这个时候时间片用完，CPU切换到线程2去执行，这时它就会把下一条指令的地址10记录到程序计数器里面，而且程序计数器是线程私有的，它是属于线程1的，等线程2代码执行完了，线程1抢到了时间片，它就会从自己的程序计数器里面取出下一行代码。每个线程都有自己的程序计数器
3.虚拟机栈
3.1.栈的特点
栈类似现实生活中的子弹夹。栈最重要的特点是后进先出。
如图，1是最先进入栈中的，3是最后进入栈中的，但是在出栈的时候，3最先出栈，1最后出栈。即他们按照1,2,3的顺序入栈，按照3,2,1的顺序出栈
虚拟机栈就是我们线程运行时需要的内存空间，一个线程运行时需要一个栈。如果将来有多个线程的话，它就会有多个虚拟机栈。
每个栈可以看成是由多个栈帧组成，例如上图中每个元素1,2,3都可以看成是栈帧。
一个栈帧就对应着Java中一个方法的调用，即栈帧就是每个方法运行时需要的内存。每个方法运行时需要的内存一般有参数，局部变量，返回地址，这些都需要占用内存，所以每个方法执行时，都要预先把这些内存分配好。
当我们调用第一个方法栈帧时，它就会给第一个方法分配栈帧空间，并且压入栈内，当这个方法执行完了，就会把这个方法栈帧出栈，释放这个方法所占用的内存。
一个栈内可能有多个栈帧存在。
总结
Java Virtual Machine Stacks(Java虚拟机栈)
活动栈帧表示线程正在执行的方法。
3.2.栈的演示
public class teststacks {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
method1();
}
public static void method1(){
method2(1,2);
}
public static int method2(int a,int b){
int c=a+b;
return c;
}}可以自行调试以上代码来观察栈中的变化情况。
入栈顺序：main->method1->method2
出栈顺序：method2->method1->main
3.3.栈的问题辨析
3.4.栈的线程安全问题
看一个变量是否线程安全，首先就是看这个变量对多个线程是共享的还是私有的，共享的变量需要考虑线程安全。
其次局部变量也不能保证是线程安全的，需要看此变量是否逃离了方法的作用范围(作为参数和返回值逃出方法作用范围时需要考虑线程安全问题)
例如：
以下代码中局部变量是私有的，是线程安全的
//多个线程同时执行该方法，会不会造成x值混乱呢？
//不会，因为x是方法内的局部变量，是线程私有的，互不干扰
static void m1(){
int x=0;
for(int i=0;i<p>但是如果我们把变量的类型改为static,此时就大不一样了，x是静态变量，线程1和线程2同时拥有同一个x，static变量针对多个线程是一个共享的，不加安全保护的话，就会出现线程安全问题。</p><pre class="brush:php;toolbar:false"> static void m1(){
static int x=0;
for(int i=0;i<p>我们再看几个方法</p><pre class="brush:php;toolbar:false">public static void main(String[] args) {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append(4);
sb.append(5);
sb.append(6);
new Thread(()->{
m2(sb);
}).start();
}
public static void m1() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append(1);
sb.append(2);
sb.append(3);
System.out.println(sb.toString());
}
public static void m2(StringBuilder sb) {
sb.append(1);
sb.append(2);
sb.append(3);
System.out.println(sb.toString());
}
public static StringBuilder m3() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append(1);
sb.append(2);
sb.append(3);
return sb;
}m1是线程安全的：m1中的sb是线程中的局部变量，它是属于线程私有的
m2线程不安全：sb它是方法的参数，有可能有其它的线程访问到它，它就不再是线程私有的了，它对多个线程是共享的。
m3不是线程安全的:它被当成返回结果返回了，返回了有可能其它的线程拿到这个对象，从而并发的修改。
3.5.栈内存溢出(StackOverflowError)
什么情况下会导致栈内存溢出呐？
1.栈帧过多导致栈内存溢出(一般递归调用次数太多，进栈太多导致溢出)
这里最容易出现的场景是函数的递归调用。
2.栈帧过大导致栈内存溢出(不太容易出现)
栈内存溢出代码演示1(自己开发)：
测试以下的程序，其中递归函数没有递归边界
public class Demo1_2 {
private static int count;
public static void main(String[] args) {
try {
method1();
} catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
System.out.println(count);
}
}
private static void method1() {
count++;
method1();
}}运行结果如下
…
这里报了错误StackOverflowError。
总共进行了22846次递归调用
idea中设置栈内存大小：
将栈内存设置的小一点，发现5000多次递归调用就溢出了。
栈内存溢出代码演示2(第三方依赖库出现)：
本案例可以使用JsonIgnore注解解决循环依赖，数据转换时，只让部门类去关联员工类，员工类不再关联部门类，在员工类的部门属性(dept)上加@JsonIgnore注解。具体使用详情可以点击此处查看
3.6.线程运行诊断
3.6.1.案例1:cpu占用过多(linux系统为例)
排查步骤：
1.在linux中使用top命令，去查看后台进程对cpu的占用情况
注意，在这之前我们运行了一道Java程序
Java代码占用了CPU的99.3%.top命令只能定位到进程，而无法定位到线程。
2.查看线程对cpu的占用情况：ps H -eo pid,tid,%cpu
如果显示过多，可使用ps H -eo pid,tid,%cpu | grep 进程id,过滤掉不想看的部分进程
注意：ps不仅可以查看进程，也可以查看线程对CPU的占用情况。H把进程中的线程所有信息都展示出来。-eo规定输出感兴趣的内容，这里我们想看看pid,tid和CPU的占用情况%cpu
当线程数太多，排查不方便的话，我们可以用grep pid来进行筛选，过滤掉不感兴趣的进程
ps H -eo pid,tid,%cpu |grep 32655
3.定位到是哪个线程占用内存过高后，再使用Jdk提供的命令(jstack+进程id)去查看进程中各线程的运行信息，需要把第二步中查到的线程id(十进制)转为十六进制，然后进行比较查询到位置后判断异常信息。
thread1,thread2,thread3是我们自己定义的线程。
可以根据线程id，找到有问题的线程，进一步定位到问题代码的源码行号
3.6.2.案例2:线程诊断_迟迟得不到结果
仍然通过jdk提供的 jstack+进程id的方式，去查看进程中各个线程的运行信息
4.本地方法栈
含义：Java虚拟机调用本地方法时，需要给本地方法提供的一些内存空间
本地方法不是由Java编写的代码，由于Java有时不能直接和操作系统打交道，所以需要用C/C++语言来与操作系统打交道，那么Java就可以通过调用本地方法来获得这些功能。本地方法非常的多，如Object类的clone()，hashCode方法，wait方法,notify方法等
public native int hashCode();
5.堆
5.1.定义
1.虚拟机栈，程序计数器，本地方法栈，这些都是线程私有的，而堆和方法区，是线程公用的一块内存区域。
2.通过new关键字创建的对象都会使用堆内存
3.由于堆是线程共享的，堆内的对象都要考虑线程安全问题(也有一些例外)
4.堆有垃圾回收机制，不再被引用的对象会被回收
5.2.堆内存溢出(OutOfMemoryError:Java heap space)
对象一直存在于堆中未被回收，且占用内存越来越大，最终导致堆内存溢出(虽然堆中有垃圾回收机制，但垃圾回收机制不是回收所有的对象)
我们可以看看下面的代码
public static void main(String[] args) {
int i = 0;
try {
List<string> list = new ArrayList();
String a = "hello";
while (true) {
list.add(a); // hello, hellohello, hellohellohellohello ...
a = a + a; // hellohellohellohello
i++;
}
} catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
System.out.println(i);
}}</string>
报了错误java.lang.OutOfMemoryError
代码中每次都拼接一个hello，由于定义的list集合创建在try语句里面，所以在for循环不断执行过程中，list集合是不会被回收的，只要程序还没到catch之前，它就一直有效。而字符串对象都被追加到了集合内部，字符串对象由于一直被使用，所以不会被回收。
我们可以通过-Xmx来设置堆空间大小。
我们把堆内存改成8M(之前内存是4G),此时只运行了17次。
5.3.堆内存诊断
1.jps工具：jps,查看当前进程中有哪些Java进程，并将进程id显示出来(idea中通过terminal命令行输入命令)
2.jmap工具：jmap -heap 进程id 查询某一个时刻堆内存的占用情况
3.jconsole工具:图形界面的，多功能监测工具，可连续监测，使用流程图如下(1-2-3)：
6.方法区
6.1.定义
方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，他用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态常量、即时编译器编译后的代码等数据。(与类有关的信息)。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是他却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。方法区在虚拟机启动时创建。
对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多都更愿意把方法取称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在永久代的概念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代来实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题（永久代有-XX:MaxPermSize的上限，J9和JRockit只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系统中的4GB，就不会出现问题），而且有极少数方法（例如String.intern()）会因这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。因此，对于HotSpot虚拟机，根据官方发布的路线图信息，现在也已放弃永久代并逐步改为采用Navtive Memory来实现方法区的规划，在JDK1.7的HostSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出,jdk1.8中后称作元空间，用的操作系统内存。
Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以喧嚣而固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。
根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
文原文关于虚拟机的定义：
6.2.定义
jdk1.8之前,方法区是用的堆内存，1.8之后，方法区用的操作系统内存。
这块不是太清晰，可以参考下此篇博客点击查看
常量池分为静态常量池和动态常量池，下图中的常量池指的是动态常量池，因为它们已经被读入内存中去，而静态常量池存在于class文件中
6.3.方法区内存溢出（OutOfMemoryError: Metaspace）
1.8以前会导致永久代内存溢出
1.8以后会导致元空间内存溢出
/**
* 演示元空间内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
* -XX:MaxMetaspaceSize=8m
*/public class Demo1_8 extends ClassLoader { // 可以用来加载类的二进制字节码
public static void main(String[] args) {
int j = 0;
try {
Demo1_8 test = new Demo1_8();
for (int i = 0; i <p><strong>jdk1.8以后， 默认情况下，方法区用的是系统内存，所以加大还是不会导致内存溢出，循环很多次都运行成功。</strong><br><strong>当设置了-XX:MaxMetaspaceSize=8m，到了5411次就溢出了。报的是java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace错误</strong></p><p>而1.8以前永久代溢出报的错误是java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space</p><p><strong>6.4.常量池</strong></p><p><img src="https://img.php.cn/upload/article/000/000/052/b93dd11973d3f8094228c146b3131c12-17.png" alt="JVM 学習 Java メモリ構造"></p><p><strong>常量池，就是一张表，虚拟机指令根据这站常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量信息(如字符串常量、true和false)</strong>。<br><em><em>运行时常量池，常量池是</em>.class文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址</em>*。</p><pre class="brush:php;toolbar:false">public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("hello,world");
}}以上是一个helloworld程序，helloworld要运行，肯定要先编译成一个二进制字节码。
二进制字节码由类的基本信息、常量池、类方法定义（包含了虚拟机指令）。
反编译HelloWorld(之前需要运行将.java文件编译成.class文件)
使用idea工具
F:\IDEA\projects\jvm>javap -v F:\IDEA\projects\jvm\out\production\untitled\HelloWorld.class
F:\IDEA\projects\jvm\out\production\untitled\是HelloWorld.class所在的路径
显示类的详细信息
Classfile /F:/IDEA/projects/jvm/out/production/untitled/HelloWorld.class Last modified 2021-1-30; size 533 bytes MD5 checksum 82d075eb7217b4d23706f6cfbd44f8f1 Compiled from "HelloWorld.java"public class HelloWorld minor version: 0 major version: 52 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
可以看到类的文件，最后修改时间，签名。以及版本等等。有的还有访问修饰符、父类和接口等详细信息。
显示常量池
Constant pool: #1 = Methodref #6.#20 // java/lang/Object."<init>":()V #2 = Fieldref #21.#22 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; #3 = String #23 // hello,world #4 = Methodref #24.#25 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V #5 = Class #26 // HelloWorld #6 = Class #27 // java/lang/Object #7 = Utf8 <init> #8 = Utf8 ()V #9 = Utf8 Code #10 = Utf8 LineNumberTable #11 = Utf8 LocalVariableTable #12 = Utf8 this #13 = Utf8 LHelloWorld; #14 = Utf8 main #15 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V #16 = Utf8 args #17 = Utf8 [Ljava/lang/String; #18 = Utf8 SourceFile #19 = Utf8 HelloWorld.java #20 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V #21 = Class #28 // java/lang/System #22 = NameAndType #29:#30 // out:Ljava/io/PrintStream; #23 = Utf8 hello,world #24 = Class #31 // java/io/PrintStream #25 = NameAndType #32:#33 // println:(Ljava/lang/String;)V #26 = Utf8 HelloWorld #27 = Utf8 java/lang/Object #28 = Utf8 java/lang/System #29 = Utf8 out #30 = Utf8 Ljava/io/PrintStream; #31 = Utf8 java/io/PrintStream #32 = Utf8 println #33 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V</init></init></init>
显示方法定义
{
public HelloWorld();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 1: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature 0 5 0 this LHelloWorld;
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3 // String hello,world
5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
LineNumberTable:
line 3: 0
line 4: 8
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature 0 9 0 args [Ljava/lang/String;}</init>第一个方法是public HelloWorld();它是编译器自动为我们构造的无参构造方法。
第二个是public static void main(java.lang.String[]);即main方法
方噶里面就包括了虚拟机的指令了。
getstatic获取一个静态变量，即获取System.out静态变量
ldc是加载一个参数，参数是字符串hello,world
invokevirtual虚方法调用，println方法
return执行结束。
我们getstatic、ldc、invokevirtual后面都有一个#2,#3,#4。在解释器翻译这些虚拟机指令的时候，它会把这些#2,#3,#4进行一个查表翻译。比如getstatic #2，就去查常量池的表。在常量池中
#2 = Fieldref #21.#22 引用的是成员变量#21,#22.
#21 = Class #28 // java/lang/System
#22 = NameAndType #29:#30 // out:Ljava/io/PrintStream;
然后再去找#28.29，30
#28 = Utf8 java/lang/System
#29 = Utf8 out
#30 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
所以现在我就知道了，我是要找到java.lang.system类下叫out的成员变量，类型是java/io。
同理，ldc是找#3 = String #23 Utf8 hello,world，它是虚拟机常量池的一个字符串。把helloworld常量变成字符串对象加载进来。
invokevirtual #4 Methodref #24.#25 等等
所以常量池的作用就是给我们指令提供一些常量符号，根据这些常量符号，我们就可以根据查表的方式去找到它，这样虚拟机才能成功的执行它。
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