性能测试—JVM内存模型

　　本章节主要讲解“性能测试—JVM内存模型”的内容，JVM：Java Virtual Machine叫Java虚拟机，Java语言最大的特点就是可以跨平台操作，JAVA之所以可以跨平台操作，是因为JAVA将写好的目标代码装载在一个叫JAVA虚拟机的平台上，这样可以保证在不同平台上运行时，不需要再次编译代码。那么所以运行的代码其实是在JVM中，即代码不是直接运行在我们操作平台，所以JVM调优核心是如何让JAVA源代码在JVM中运行的效率更高。影响JVM运行的效率核心指标是内存的使用，所以我们通常说的JVM调优都是在谈论内存分配的问题。

　　一、JVM内存模型

　　JVM的内存模型是由JMM来定义的，是一种规范，主要定义JVM在计算机内存RAM中的工作方式。它屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异，不像C那么直接访问硬件内存，相对来说会更安全些。其主要是解决多线程通过共享内存进行通信时本地内存数据不一至、指令重排序、代码乱序等执行相关的问题。这样可以更好的保证并发时场景中的原子性、可见性和有序性。

　　其实关于JVM内存模型是开发要理解的，那为什么我们做性能测试也要理解呢?是因为如果我们做性能测试监控JVM时，如果对JVM内存使用的原理不理解的话，那么我们就无法很好的去理解JVM分代、堆、非堆等使用的情况。就更无法理解JVM调优的相关参数了。

　　JVM内存模型主要包括五大内存区域，如图10-21所示。

　　图10-21 JVM内存模型

　　1) 程序计数器

　　程序计数器(Program Counter Register)是JVM中一块较小的内存区域，是当前线程执行的字节码行号指标器，记录下条执行JVM指令的地址。因为一个处理器在同一个时刻只会执行一条线程指令，但一个线程中有多个指令，为了在线程切换时可以恢复到正确的执行位置，会为每个线程设置一个独立的程序计数器，这样可以让不同线程之间的程序计数器互不影响，独立存储。所以每个程序计数器都是线程私有的。

　　这个区域是唯一一个在JAVA虚拟机规范中不存在OutOfMemoryError内存溢出的区域，程序计数器是由虚拟机内部维护，不需要开发者进行操作。这个程序计数器对应于JVM参数为-Xss。

　　2) Java栈(虚拟机栈)

　　当启动一个新线程的时候，Java虚拟机都会为它分配一个Java栈，Java在运行时会以栈桢为单位来保存线程的运行状态。Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机对Java栈只执行两种操作：以栈为单位的压栈或出栈。

　　当然线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的尝试，那么会抛出StackOverflowError异常，如果虚拟机栈可以动态扩展，但在扩展时无法申请到足够的内存时，就会抛出OutOfMemoryError的错误。

　　栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。它是虚拟机运行时数据区中的java虚拟机栈的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。

　　栈桢结构图如图10-22所示。

　　图10-22 栈桢站结构图

　　局部变量表(Local Variable Table)是一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量，并且在Java编译为Class文件时，可以计算出该方法所需要分配的局部变量表的最大容量。局部变量表会将一些基本数据类型，如boolean、byte、char、short、int、float、long、double等存放在里面。

　　变量槽是局部变量表容量的最小单位，每个变量槽存储32位长度的内存空间，例如boolean、byte、char、short、int、float、reference。但是对于64位长度的数据类型，如long和double。那么虚拟机会以高位对齐的方式分配两个连接的存储空间，就相当于把long和double数据类型读写分割成为两次32位读写。

　　在Java Class文件中会存放很多符号引用，字节码中的方法调用指令就是以常量池中指向方法的符号引用作为参数。这些符号引用有一部分会在类加载阶段或第一次使用时转化为直接引用，这种转化过程称之为静态解析。另一部分将在每一次运行期转化为直接引用，这种称之为动态连接(Dynamic Linking)。

　　方法执行完成后，该方法必须退出，所谓的方法退出就相当于当前栈帧出栈。方法退出一般有两种方法：

• 　　一是：使用方法返回指令，执行引擎遇到方法返回的字节码指令，然后会将值传递给上层的方法调用者，这是正常的一种退方式。

• 　　二是：异常的退出方式，如果在方法执行过程中遇到了异常情况，并且如果没有即时处理这个异常，就会导致该方法退出。

　　一般来说，该方法正常退出时，调用者计数器的值可以作为返回地址，栈帧中会保存这个计数器值。而方法异常退出时，返回地址是要通过异常处理器表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息。但无论采用任何退出方式，在方法退出之后，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行，方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息。

　　当该方法退出时可能执行的操作会恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，如果有返回值，则把它压入调用者栈帧的操作数栈中，调整计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令。

　　1) 本地方法栈

　　本地方法栈(Native Method Stacks)即管理Native方法的地方，Navtive方法是Java 通过JNI直接调用本地C/C++库，也就是Native方法相当于一个接口，一个C/C++暴露给Java的接口，Java会通过这个接口去调用到C/C++方法。当线程调用Java方法时，虚拟机会创建一个栈帧，并将栈帧压入到Java虚拟机栈中。但当线程调用的是Native方法时，虚拟机会保持Java虚拟机栈不变，也不会向Java虚拟机栈中压入新的栈帧，虚拟机只是简单地连接并直接调用指定的Native方法即可。

　　本地方法栈(Native Method Stacks)与 Java 虚拟机栈所发挥的作用是十分相似的，但还是有一些区别。主要区别有以下几个方面：

• 　　不管是Java虚拟机栈还是本地方法栈，线程都是私有的。

• 　　压栈时都是先进后出(LIFO)的方式。

• 　　对于Java虚拟机会存储栈桢来支持Java方法的调用、执行和退出。

• 　　对于本地方法栈主要是支撑Native方法的调用、执行和退出。

• 　　都可能出现OutOfMemoryError异常和StackOverflowError异常。

• 　　有一些虚拟机(如HotSpot)将Java虚拟机栈和本地方法栈合并实现。

　　2) 堆

　　堆是应该是我们在分析JVM中谈到最多的内容，它就是我们通常说的新生代、老年老代、持久代所保存的地方，这也是面试时最经常被问到的，如何设置新生代、老年代、持久代的值?新生代、年老代、持久代就是保存在堆中。

　　堆是Java虚拟机管理内存最大的一块内存区域，堆存放的对象是线程共享的，所以多线程的时候也需要同步机制。堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为“GC”堆

　　堆从内存回收的角度来说，可以分为新生代和老年代，堆大小可以通过-Xmx和-Xms来设置，当内存空间不中时会提示OutOfMemoryError错误。

　　3) 方法区

　　方法区又称为非堆，是所有线程共享的内存区域。用于存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、静态代码块、即时编译器编译后的代码数据等。主要目标是针对数量池的回收和对类型的卸载。

　　在JDK8之前，HotSpot是通过“永久代”来实现方法区的，其他虚拟机(如JRockit、J9VM)不存在永久代这个概念。方法区可以和Java堆一样被 HotSpot的垃圾收集器所管理，不需要单独处理。

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