JVM的内存结构程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈

2022-09-03 11:56:54

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JVM的内存结构

1、程序计数器（PC Register）

作用：记住下一条jvm指令的执行地址

如下图：我们打的每一条java代码，其实都是在底层执行JVM的指令。每条指令都有其对应的地址，前面说过了，解释器的作用就是逐条执行我们的代码（JVM指令），那么，解释器怎么知道下一条要执行的指令是哪条呢？这就要看程序计数器的了。程序计数器一直保留的都是下一条指令的地址。
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上图的流程大概就是：我们自己写java源码，然后java源码被虚拟机翻译成字节码，也就是JVM指令；这些JVM的指令都有各自的地址，他们依次将指令的地址传递给程序计数器，程序计数器就把拿到的地址依次给解释器，解释器寻着地址将我们的字节码（JVM指令）翻译成机器码后交给CPU执行。

特点：

1、线程私有（简单说就是，每个线程都有自己的程序计数器）

2、唯一不会出现内存溢出区域

2、虚拟机栈（JVM Stacks）

2.1、定义

虚拟机栈，是线程运行需要的内存空间。我们java的源码最后其实就是一个个封装起来的方法。每个方法，我们将他们当成一个栈帧（栈帧对应着每次方法调用时所占用的内存）。

每次调用某个方法，我们就把该方法作为一个栈帧（栈中的一个基本单位）放入栈中，如果该方法在执行过程中还调用了其他的方法，那么这些方法也会作为栈帧依次被放入我们的栈中。

如下图：栈帧1、2、3分别对应三个方法。栈帧1调用了栈帧2，栈帧2调用了栈帧3。此时，栈帧3肯定会先运行完，此时栈帧3先运行结束并弹出，然后轮到栈帧2运行结束弹出，最后是栈帧1运行结束后弹出。
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注意：每个线程只能有一个活动栈帧，对应的是当前正在执行的方法。

代码演示：

main方法调用method1（）方法，method1（）调用method2（）方法。

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他们的栈如下：（一共有三个栈帧，最下面是main、然后是method1、然后是method2）。其中method2()这个栈帧中放了三个变量（a、b、c）的值

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method2（）这个栈帧出栈后，我们可以看到，a、b、c 这三个变量已经被回收了。（这里特别说明一下，垃圾回收并不需要管理我们的栈内存，因为当栈帧被弹出的时候，他就会自动释放内存，垃圾回收只需要对堆中无用的对象进行垃圾回收）
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我们可以使用-Xss size 来设置我们的栈内存，但是不建议设置而且栈内存越大并不是越好。栈内存大的话，能允许我们进行更多次的方法递归调用，但并不会增加运行的效率；由于内存的局限性，还会导致我们线程数目的变少。

默认情况下：

Linux和MacOS的栈内存是1024KB。

Windows则根据机身的虚拟内存决定。

虚拟机的命令写在下图这里
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以下三条指令都可以修改我们的栈内存为1024KB。
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扩展知识点：
1、方法内的局部变量是否是线程安全的？
这个具体要看该变量是否是线程私有的，如果是线程私有的，那么他是线程安全的，如果他是共有的，那么他就不是线程安全的。

2.2、栈内存溢出

导致栈内存溢出的情况有如下几种：

1、栈帧过多（多次的递归调用）

2、栈帧过大（不太容易出现）

栈帧过多的例子如下：

这里count是类的静态变量。
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栈内存溢出的报错信息如下：

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当然了，很多人可能会觉得，我才没那么傻写出上面这种代码呢？那如果，我们是在调用某个库的某个接口导致内存溢出的情况下呢？先看看下方的代码：（这是个一定会裂开的代码，可以自行先找找错）

importcom.fasterxml.jackson.annotation.JsonIgnore;importcom.fasterxml.jackson.core.JsonProcessingException;importcom.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;importcom.fasterxml.jackson.databind.SerializationFeature;importjava.io.IOException;importjava.util.Arrays;importjava.util.List;publicclassStackOver{publicstaticvoidmain(String[] args)throwsIOException{//创建一个部门对象Dept dept=newDept();
        dept.setName("研发部门");//创建两个员工对象Emp emp1=newEmp();
        emp1.setName("张三");
        emp1.setDept(dept);Emp emp2=newEmp();
        emp2.setName("李四");
        emp2.setDept(dept);//将员工加入部门对象
        dept.setEmpList(Arrays.asList(emp1, emp2));//将部门对象转换为JSON对象ObjectMapper mapper=newObjectMapper();System.out.println(mapper.writeValueAsString(dept));}//部门类staticclassDept{privateString name;//部门名privateList<Emp> empList;//员工列表publicvoidsetName(String name){this.name= name;}publicvoidsetEmpList(List<Emp> empList){this.empList= empList;}publicStringgetName(){return name;}publicList<Emp>getEmpList(){return empList;}}//员工类staticclassEmp{privateString name;//员工名privateDept dept;//所属部门publicvoidsetName(String name){this.name= name;}publicvoidsetDept(Dept dept){this.dept= dept;}publicStringgetName(){return name;}publicDeptgetDept(){return dept;}}}

这里，其实有个大bug，在我们将Dept对象转换为JSON对象的时候。他是这样的：

{
name: ‘研发部门’,
empList:[
{
name: ‘张三’,
//问题就出在这里，他的每个员工又包含了部门这个对象，然后部门又包含了员工，员工再包含部门，无穷尽也…
dept: [
name: ‘研发部门’,
empList: [ {name:‘张三’, dept:[…]}, {name:‘李四’, dept[…]} ]
],…
}
]
}

解决方法：（禁止套娃，我们已经知道员工是部门的empList属性中的一员了，那我们就没必要再在员工中输出他是哪个部门的了，使用注解@JsonIgnore将Emp类中的private Dept dept;属性进行忽略即可。）

//员工类staticclassEmp{privateString name;//员工名@JsonIgnoreprivateDept dept;//所属部门publicvoidsetName(String name){this.name= name;}publicvoidsetDept(Dept dept){this.dept= dept;}publicStringgetName(){return name;}publicDeptgetDept(){return dept;}}

2.3、线程运行诊断

案例一：CPU占用过多

当某个程序出现CPU占用过多的情况的时候，大部分情况下，可能是我们的线程出现问题了。

我们可以写一个程序大致如下：

publicclassHighCpuUse{publicstaticvoidmain(String[] args){//创建线程1newThread(null,()->{System.out.println("The Thread 1 is running......");while(true){//啥也不干，就这么耗着}},"Thread1").start();//创建线程2newThread(null,()->{System.out.println("The Thread2 is running......");try{Thread.sleep(1000000L);}catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();}},"Thread2").start();//创建线程3newThread(null,()->{System.out.println("The Thread3 is running......");try{Thread.sleep(1000000L);}catch(InterruptedException e){
                e.printStackTrace();}},"Thread3").start();}}

在Linux系统运行后，使用top命令可以看到：

有个java程序，cpu占用106.7%，而且他的进程id是17656.
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行，我们通过以下命令看一下进行进程号为17656的 进程号，线程号和CPU使用率来看一下：

ps H -eo pid,tid,%cpu | grep 17656

在这里插入图片描述
这里，我们可以看到，我们进程号为17656且线程号为17668，他的CPU占用率高达98.8%。然后我们再通过以下命令查看当前进程的所有线程的具体信息。

jstack 进程号
jstack 21345

运行结果如下：

通过17668（CPU占用最多的线程号）这个线程号转化成十六进制，可以得出，17668 = 0x4504（十六进制）。可以定位到导致CPU高占用的就是这个Thread1的进程，而这个进程他在源码中的第5行。

在这里插入图片描述
这个时候，我们就可以先把进程杀掉。然后去指定位置修改自己的源码了。杀死进程的命令：

kill -9 17668

案例2：程序运行很长时间没有结果（可能是出现了死锁）

假如我们现在有代码如下：

A.class

publicclassA{}

B.class

publicclassB{}

ThreadDeadLock.java

publicclassThreadDeadLock{privatestaticA a=newA();privatestaticB b=newB();publicstaticvoidmain(String[] args)throwsInterruptedException{newThread(()->{//线程一开始就锁住a（同步阻塞）synchronized(a){try{//睡两秒Thread.sleep(2000);}catch(InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();}//获取b的资源synchronized(b){System.out.println("我获得了a和b的资源");}}},"Thread1").start();//睡眠1sThread.sleep(1000);newThread(()->{//线程一开始就锁住b（同步阻塞）synchronized(b){synchronized(a){System.out.println("我获得了a和b的资源");}}}).start();}}

使用javac编译后，使用以下命令：

nohup java ThreadDeadLock &

可以看到
在这里插入图片描述
我们的进程号是22065。

我们来看一下为啥子，这个程序没有输出内容我获得了a和b的资源。

在这里插入图片描述然后，我们就可以针对他所说的死锁，到源码第17和29行进行更改。

3、本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈的作用是给本地方法提供内存空间。那什么叫本地方法呢？其实就是指那些不是由Java编写的代码，由于我们的Java代码具有一定的限制，有的时候无法直接与操作系统底层打交道，所以就需要一些由C或C++编写的本地方法来真正与操作系统底层的API打交道，我们的Java代码则间接通过本地方法来调用底层的功能。而这些本地方法运行的时候使用的内存，我们将之称之为本地方法栈。

这种本地方法非常多，在我们的基础类库或执行引擎中，他们都会去调用这些本地方法。举个例子：我们所有类的祖先Object。

这些个方法中带有native的，我们可以看到，他们都是没有具体实现的。其实就是本地方法。这个类中还有很多，例如，clone（）、notify（）、notifyAll（）等等。有兴趣的小伙伴可以自己去看看。
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  • 作者：Keeling1720
  • 原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_44741023/article/details/122627027
    更新时间：2022-09-03 11:56:54