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java虚拟机之内存模型理解

java虚拟机之内存模型理解

作者: TechMix | 来源:发表于2019-07-21 18:12 被阅读0次

    前言

         时间过得真快,眨眼间已经毕业一年了,最近经常性的反思自己,发现这一年里竟然没什么让自己印象很深刻的东西,工作上了解了业务背景后,也没遇过一些对自己进步有帮助的难题之类的。仔细想想,在个人能力还是很初级水平的阶段,这样的处境是很危险的。所以最近会多做一些基础原理的知识整合,包括JVM、Java、Android方法的内容,一边扫盲一边加深理解。​

    一. jvm运行时内存的划分

    JVM的内存模型结构如下:


    JVM内存区域模型

    按照是否线程共享

    • 线程共享:方法区、堆
    • 线程私有 :程序计数器,虚拟机栈,本地方法区

    按照实际存储的内容

    • 数据区:方法区,堆
    • 指令区:程序计数器,虚拟机栈,本地方法区

    看到这个结构,也能想的明白,用户数据(非指令,指令是和具体数据无关的,用来处理数据的、做计算 工作的操作数)是多线程共享的,如果说某些数据只能某个线程自己可见,那么多线程也就失去了意义。

    1.运行时内存区域划分

    1.1 程序计数器(Program Counter Register)-- 指令指针

    • 1.1 作用
      jvm中一块比较小的内存区域,指示当前字节码执行到哪一行,字节码的解释工作需要这个计数器来选取下一条被执行字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复类的功能都要程序计数器来完成。
    • 1.2 多线程
      考虑在多线程情况下,这个区域的内存是线程私有的。
    • 1.3 异常
      计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址,假如这个区域内存泄漏,那么整个字节码的执行也就会无法进行,这种状态下,程序的异常处理,只要是程序层面上也都没法进行了。

    1.2 虚拟机栈 -- 记录方法信息和调用栈(函数调用栈,栈内每一个元素称之为栈帧,栈帧存储着栈帧信息,用javap命令查看栈帧信息进行理解)

    • 描述的是方法执行的内存模型,每个方法在执行的同时会创建一个栈帧(Stack Frame),用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。
      每一个方法从调用开始,就会创建一个虚拟机栈,方法结束调用栈也就会回收,响应的方法内的局部变量也都会被回收。
      当调用栈过长,超过虚拟机定义的最大长度时,会抛出StackOverflowError,常见的情况就是定义了无递归出口的方法,会导致栈溢出
    • 局部变量表:存放编译期就能知道的类型,包括基本数据类型和对象引用,所需的内存空间大小也在编译期完成分配。也就是说进入一个方法时就可以确定,他在栈帧中需要占用多少内存空间,并且在方法运行期间局部变量表的大小不会再被改变。
    • 操作数栈:函数在调用发起和结构本质上是其实入栈和出栈的动作。
    • 动态链接:对多态支持的关键。
    • 方法返回地址:记录方法调用结束的地址,即使是void类型的方法也有返回地址。
      虚拟机栈的结构示意图如下:
      虚拟机栈结构示意图

    1.3 方法区

    存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。内存回收在这个区域和堆区是一样的规则。存储Class信息

    • 运行时常量区
      属于方法区的一部分,存储编译期生成的各种字面量和符号引用,是在类加载后进入到方法区的运行时常量池中。

    存储Class文件中的符号引用和直接引用。

    • Class文件常量池
    • 运行时常量池

    1.4 本地方法区

    和虚拟机栈的作用类似,虚拟机栈是为Java字节码提供服务支撑的,本地方法栈是为Native方法提供服务。会有StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
    虚拟机规范并没有限制本地方法区使用什么语言,使用方法和数据结构,所以不同的虚拟机可以自己去实现这部分区域。注:Sun HotSpot虚拟机是将本地方法区和虚拟机栈合在一起了。

    1.5 堆区

    存放对象的实例,对象实例分配内存几乎都在这里进行。对象和数组都是在堆上分配内存的。是所有线程共享的区域,垃圾进行回收也主要在堆中进行,也被称为“GC堆”。

    • Java堆还可以分为新生代和老年代
    • 新生代:(2/3)默认比例eden:s0:s1=8:1:1
    • 老年代:(1/3)
    • 永久代:

    2. 直接内存区

    不是Java虚拟机规范中定义的内存区域,但是这部分内存被频繁的使用,并且内存不足时也有会有OutOfMemoryError异常出现。
    直接内存的分配不受Java堆大小的限制。只受本机内存大小以及处理器寻址空间的限制。

    二. 对象的四种引用类型

    1.强引用

    Object strongRef = new Object(); 
    

    程序运行过程中就不会被回收, 当内存不足时会抛出OutOfMemoryError错误, 也不会选择回收强引用对象来缓解内存不足, 一般这种强引用从逻辑上确定是可以回收了,可以赋值为null, 提高被GC回收的可能性.

    strongRef = null; //注意:并不是这样做了就立马被回收,只是能被回收了,具体回收的时机由GC决定
    

    2.软引用: SoftReference

    • 2.1 软引用特性

    如果一个对象只有软引用, 只要内存足够, 就不会回收它. 如果内存不足了, 就会回收这些只有软引用的对象. 可以看出软引用的回收时机是由内存的使用情况决定的.

    软引用在内存充足的时候对象不会被回收, 也就是说内存充足的情况下, 即使对象只有软引用, 对象也不会被回收. 所以软引用也能解决内存泄露问题, 但是相对来说对象回收的周期更长, 因为某个对象仅有软引用时, 要等到内存不足才会被回收.

    软引用能感知内存不足的发生, 所以适用于内存敏感的使用场景.

    • 2.2 软引用和引用队列的结合使用
      首先看SoftReference的构造方法, 有两个:
    public SoftReference(T referent) {
            super(referent);
            this.timestamp = clock;
    }
    
     /**
         *  当软引用对用的对象被回收了,就会将这个软引用对象加入到队列中
         */
        public SoftReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
            super(referent, q);
            this.timestamp = clock;
        }
    

    使用方式:

    ReferenceQueue<String> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
    String str = new String("abcd");
    SoftReference<String> softReference = new SoftReference<>(str, referenceQueue);
    str = null;
    System.gc();
    System.out.println(softReference.get());
    Reference<? extends String> reference = referenceQueue.poll();
    System.out.println(reference);
    

    3.弱引用: WeakReference

    对象只有弱引用, 不会导致对象在被回收时, 因为还有引用关系不能被GC回收. 相反, 如果GC在扫描对象只有弱引用时, 不管内存是否充足, 都会回收该对象内存. 但是GC的线程优先级很低, 不会很快扫描到这种情况的对象引用.

    和软引用相比, 若引用的生命周期很短暂.

    弱引用也可结合引用队列使用:

    public WeakReference(T referent) {
            super(referent);
    }
    // 当弱引用对应的对象的被回收了,jvm会将该弱引用加入到引用队列中
    public WeakReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
            super(referent, q);
    }
    

    使用:

     Object object = new Object();
    ReferenceQueue<Object> weakReferenceQueue = new ReferenceQueue<>();
    WeakReference<Object> weakReference = new WeakReference<>(object, weakReferenceQueue);
    

    4.虚引用: PhantomReference

    虚引用不会决定对象的生命周期, 如果一个对象只有虚引用, 那么它在任何时候都有可能被回收. 虚引用必须和一个引用队列联合使用.

    和软引用,弱引用不同的是虚引用必须和引用结合使用, 可以看到它只有一个构造方法:

    public PhantomReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
            super(referent, q);
    }
    

    使用:

    Object phantomRefObj = new Object();
    ReferenceQueue<Object> phantomReferenceQueue = new ReferenceQueue<>();
    PhantomReference<Object> phantomReference = new PhantomReference<>(phantomRefObj, phantomReferenceQueue);
    System.out.println(phantomReference.get()); //null
    

    一般不用虚引用来做实际的工作, 可以用来跟踪垃圾回收器的活动.

    5. 四种类型引用特性总结
    引用类型 获取对象方式 是否回收 是否内存泄露
    强引用 直接使用 不回收
    软引用 softRef.get() 内存不足时回收
    弱引用 weakRef.get() 只存在弱引用时回收 不可能内存泄露
    虚引用 null 任何时候都有可能被回收,如果没有引用

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