Java虚拟机的深入研究(堆区--vs--java方法栈)

 2019-12-22 10:38  阅读(592)
文章分类:JVM

1数据类型

Java虚拟机中,数据类型可以分为两类:基本类型和引用类型。

基本类型的变量保存原始值,即:他代表的值就是数值本身;

引用类型的变量保存引用值。“引用值”代表了某个对象的引用,而不是对象本身,对象本身存放在这个引用值所表示的地址的位置。

基本类型包括:byte,short,int,long,char,float,double,Boolean,

引用类型包括:类类型,接口类型和数组。

2堆与栈

堆和栈是程序运行的关键,很有必要把他们的关系说清楚。

PS :

堆中存的是对象。栈中存的是基本数据类型和堆中对象的引用。 我觉得栈中存放的是运行时信息,主要有局部变量,方法返回值,以及调用的上下文的一些信息。而对象一般最终都是由基本类型构成的,而对象存放在堆中,因此对象中的基本类型也是放在堆中的。只不过String常量池是放在了heap中的Perm空间中。

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栈是运行时的单位,而堆是存储的单位。

栈解决程序的运行问题,即程序如何执行,或者说如何处理数据;堆解决的是数据存储的问题,即数据怎么放、放在哪儿。

在Java中一个线程就会相应有一个线程栈与之对应,这点很容易理解,因为不同的线程执行逻辑有所不同,因此需要一个独立的线程栈。而堆则是所有线程共享的。栈因为是运行单位,因此里面存储的信息都是跟当前线程(或程序)相关信息的。包括局部变量、程序运行状态、方法返回值等等;而堆只负责存储对象信息。

为什么要把堆和栈区分出来呢?栈中不是也可以存储数据吗?

第一,从软件设计的角度看,栈代表了处理逻辑,而堆代表了数据。这样分开,使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。

第二,堆与栈的分离,使得堆中的内容可以被多个栈共享(也可以理解为多个线程访问同一个对象)。这种共享的收益是很多的。一方面这种共享提供了一种有效的数据交互方式(如:共享内存),另一方面,堆中的共享常量和缓存可以被所有栈访问,节省了空间。

第三,栈因为运行时的需要,比如保存系统运行的上下文,需要进行地址段的划分。由于栈只能向上增长,因此就会限制住栈存储内容的能力。而堆不同,堆中的对象是可以根据需要动态增长的,因此栈和堆的拆分,使得动态增长成为可能,相应栈中只需记录堆中的一个地址即可。

第四,面向对象就是堆和栈的完美结合。其实,面向对象方式的程序与以前结构化的程序在执行上没有任何区别。但是,面向对象的引入,使得对待问题的思考方式发生了改变,而更接近于自然方式的思考。当我们把对象拆开,你会发现,对象的属性其实就是数据,存放在堆中;而对象的行为(方法),就是运行逻辑,放在栈中。我们在编写对象的时候,其实即编写了数据结构,也编写的处理数据的逻辑。不得不承认,面向对象的设计,确实很美。

在Java中,Main函数就是栈的起始点,也是程序的起始点。

程序要运行总是有一个起点的。同C语言一样,java中的Main就是那个起点。无论什么java程序,找到main就找到了程序执行的入口:)

堆中存什么?栈中存什么?

堆中存的是对象。栈中存的是基本数据类型和堆中对象的引用。一个对象的大小是不可估计的,或者说是可以动态变化的,但是在栈中,一个对象只对应了一个4btye的引用(堆栈分离的好处:))。

为什么不把基本类型放堆中呢?因为其占用的空间一般是1~8个字节——需要空间比较少,而且因为是基本类型,所以不会出现动态增长的情况——长度固定,因此栈中存储就够了,如果把他存在堆中是没有什么意义的(还会浪费空间,后面说明)。可以这么说,基本类型和对象的引用都是存放在栈中,而且都是几个字节的一个数,因此在程序运行时,他们的处理方式是统一的。但是基本类型、对象引用和对象本身就有所区别了,因为一个是栈中的数据一个是堆中的数据。最常见的一个问题就是,Java中参数传递时的问题。

Java中的参数传递时传值呢?还是传引用?

要说明这个问题,先要明确两点:

  1. 不要试图与C进行类比,Java中没有指针的概念

  2. 程序运行永远都是在栈中进行的,因而参数传递时,只存在传递基本类型和对象引用的问题。不会直接传对象本身。

    明确以上两点后。Java在方法调用传递参数时,因为没有指针,所以它都是进行传值调用(这点可以参考C的传值调用)。因此,很多书里面都说Java是进行传值调用,这点没有问题,而且也简化的C中复杂性。

*但是传引用的错觉是如何造成的呢?*在运行栈中,基本类型和引用的处理是一样的,都是传值,所以,如果是传引用的方法调用,也同时可以理解为“传引用值”的传值调用,即引用的处理跟基本类型是完全一样的。但是当进入被调用方法时,被传递的这个引用的值,被程序解释(或者查找)到堆中的对象,这个时候才对应到真正的对象。如果此时进行修改,修改的是引用对应的对象,而不是引用本身,即:修改的是堆中的数据。所以这个修改是可以保持的了。

对象,从某种意义上说,是由基本类型组成的。可以把一个对象看作为一棵树,对象的属性如果还是对象,则还是一颗树(即非叶子节点),基本类型则为树的叶子节点。程序参数传递时,被传递的值本身都是不能进行修改的,但是,如果这个值是一个非叶子节点(即一个对象引用),则可以修改这个节点下面的所有内容。

堆和栈中,栈是程序运行最根本的东西。程序运行可以没有堆,但是不能没有栈。而堆是为栈进行数据存储服务,说白了堆就是一块共享的内存。不过,正是因为堆和栈的分离的思想,才使得Java的垃圾回收成为可能。

Java中,栈的大小通过-Xss来设置,当栈中存储数据比较多时,需要适当调大这个值,否则会出现java.lang.StackOverflowError异常。常见的出现这个异常的是无法返回的递归,因为此时栈中保存的信息都是方法返回的记录点。

3 堆与栈的区别

Java的堆是一个运行时数据区,类的(对象从中分配空间。这些对象通过new、newarray、anewarray和 multianewarray等指令建立,它们不需要程序代码来显式的释放。堆是由垃圾回收来负责的,堆的优势是可以动态地分配内存大小,生存期也不必事 先告诉编译器,因为它是在运行时动态分配内存的,Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。但缺点是,由于要在运行时动态分配内存,存取速度较 慢。

栈的优势是,存取速度比堆要快,仅次于寄存器,栈数据可以共享。但缺点是,存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的,缺乏灵活性。栈中主要存放一 些基本类型的变量(,int, short, long, byte, float, double, boolean, char)和对象句柄(引用变量)。

**栈有一个很重要的特殊性,就是存在栈中的数据可以共享。**假设我们同时定义:
int a = 3;
int b = 3;
编译器先处理int a = 3;首先它会在栈中创建一个变量为a的引用,然后查找栈中是否有3这个值,如果没找到,就将3存放进来,然后将a指向3。接着处理int b = 3;在创建完b的引用变量后,因为在栈中已经有3这个值,便将b直接指向3。这样,就出现了a与b同时均指向3的情况。

这时,如果再令a=4;那么编译器会重新搜索栈中是否有4值,如果没有,则将4存放进来,并令a指向4;如果已经有了,则直接将a指向这个地址。因此a值的改变不会影响到b的值。

要注意这种数据的共享与两个对象的引用同时指向一个对象的这种共享是不同的,因为这种情况a的修改并不会影响到b, 它是由编译器完成的,它有利于节省空间。而一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态,会影响到另一个对象引用变量。

String是一个特殊的包装类数据。可以用:&bsp;
String str = new String(“abc”);
String str = “abc”;
两种的形式来创建,第一种是用new()来新建对象的,它会在存放于堆中。每调用一次就会创建一个新的对象。
而第二种是先在栈中创建一个对String类的对象引用变量str,然后查找栈中有没有存放”abc”,如果没有,则将”abc”存放进栈,并令str指向”abc”,如果已经有”abc” 则直接令str指向“abc”。

比较类里面的数值是否相等时,用equals()方法;当测试两个包装类的引用是否指向同一个对象时,用==,下面用例子说明上面的理论。
String str1 = “abc”;
String str2 = “abc”;
System.out.println(str1==str2); //true
可以看出str1和str2是指向同一个对象的。

String str1 =new String (“abc”);
String str2 =new String (“abc”);
System.out.println(str1==str2); // false
用new的方式是生成不同的对象。每一次生成一个。

因此用第一种方式创建多个”abc”字符串,在内存中其实只存在一个对象而已. 这种写法有利与节省内存空间. 同时它可以在一定程度上提高程序的运行速度,因为JVM会自动根据栈中数据的实际情况来决定是否有必要创建新对象。而对于String str = new String(“abc”);的代码,则一概在堆中创建新对象,而不管其字符串值是否相等,是否有必要创建新对象,从而加重了程序的负担。

另一方面, 要注意: 我们在使用诸如String str = “abc”;的格式定义类时,总是想当然地认为,创建了String类的对象str。担心陷阱!对象可能并没有被创建!而可能只是指向一个先前已经创建的 对象。只有通过new()方法才能保证每次都创建一个新的对象。
由于String类的immutable性质,当String变量需要经常变换其值时,应该考虑使用StringBuffer类,以提高程序效率

4 Java中堆区的学习

Java中的堆空间是什么?

当Java程序开始运行时,JVM会从操作系统获取一些内存。JVM使用这些内存,这些内存的一部分就是堆内存。堆内存通常在存储地址的底层,向上排列。当一个对象通过new关键字或通过其他方式创建后,对象从堆中获得内存。当对象不再使用了,被当做垃圾回收掉后,这些内存又重新回到堆内存中。

如何增加Java堆空间

在大多数32位机、Sun的JVM上,Java的堆空间默认的大小为128MB,但也有例外,例如在32未Solaris操作系统(SPARC平台版本)上,默认的最大堆空间和起始堆空间大小为 -Xms=3670K 和 -Xmx=64M。对于64位操作系统,一般堆空间大小增加约30%。但你使用Java 1.5的throughput垃圾回收器,默认最大的堆大小为物理内存的四分之一,而起始堆大小为物理内存的十六分之一。要想知道默认的堆大小的方法,可以用默认的设置参数打开一个程序,使用JConsole(JDK 1.5之后都支持)来查看,在VM Summary页面可以看到最大的堆大小。

用这种方法你可以根据你的程序的需要来改变堆内存大小,我强烈建议采用这种方法而不是默认值。如果你的程序很大,有很多对象需要被创建的话,你可以用-Xms and -Xmx这两个参数来改变堆内存的大小。Xms表示起始的堆内存大小,Xmx表示最大的堆内存的大小。另外有一个参数 -Xmn,它表示new generation(后面会提到)的大小。有一件事你需要注意,你不能任意改变堆内存的大小,你只能在启动JVM时设定它。

堆和垃圾回收

我们知道对象创建在堆内存中,垃圾回收这样一个进程,它将已死对象清除出堆空间,并将这些内存再还给堆。为了给垃圾回收器使用,堆主要分成三个区域,分别叫作New Generation,Old Generation或叫Tenured Generation,以及Perm space。New Generation是用来存放新建的对象的空间,在对象新建的时候被使用。如果长时间还使用的话,它们会被垃圾回收器移动到Old Generation(或叫Tenured Generation)。Perm space是JVM存放Meta数据的地方,例如类,方法,字符串池和类级别的详细信息。你可以查看“Java中垃圾回收的工作原理”来获得更多关于堆和垃圾回收的信息。

Java堆中的OutOfMemoryError错误

当JVM启动时,使用了-Xms 参数设置的对内存。当程序继续进行,创建更多对象,JVM开始扩大堆内存以容纳更多对象。JVM也会使用垃圾回收器来回收内存。当快达到-Xmx设置的最大堆内存时,如果没有更多的内存可被分配给新对象的话,JVM就会抛出java.lang.outofmemoryerror,你的程序就会当掉。在抛出OutOfMemoryError之前,JVM会尝试着用垃圾回收器来释放足够的空间,但是发现仍旧没有足够的空间时,就会抛出这个错误。为了解决这个问题,你需要清楚你的程序对象的信息,例如,你创建了哪些对象,哪些对象占用了多少空间等等。你可以使用profiler或者堆分析器来处理OutOfMemoryError错误。”java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space”表示堆没有足够的空间了,不能继续扩大了。”java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”表示permanent generation已经装满了,你的程序不能再装在类或者再分配一个字符串了。

Java Heap dump

Heap dump是在某一时间对Java堆内存的快照。它对于分析堆内存或处理内存泄露和Java.lang.outofmemoryerror错误是非常有用的。在JDK中有一些工具可以帮你获取heap dump,也有一些堆分析工具来帮你分析heap dump。你可以用“jmap”来获取heap dump,它帮你创建heap dump文件,然后,你可以用“jhat”(堆分析工具)来分析这些heap dump。

Java堆内存(heap memory)的十个要点

  1. Java堆内存是操作系统分配给JVM的内存的一部分。
  2. 当我们创建对象时,它们存储在Java堆内存中。
  3. 为了便于垃圾回收,Java堆空间分成三个区域,分别叫作New Generation**, Old Generation或叫作Tenured Generation**,还有Perm Space。
  4. 你可以通过用JVM的命令行选项 -Xms, -Xmx, -Xmn来调整Java堆空间的大小。不要忘了在大小后面加上”M”或者”G”来表示单位。举个例子,你可以用 -Xmx256m来设置堆内存最大的大小为256MB。
  5. 你可以用JConsole或者 Runtime.maxMemory(), Runtime.totalMemory(), Runtime.freeMemory()来查看Java中堆内存的大小。
  6. 你可以使用命令“jmap”来获得heap dump,用“jhat”来分析heap dump。
  7. Java堆空间不同于栈空间,栈空间是用来储存调用栈和局部变量的。
  8. Java垃圾回收器是用来将死掉的对象(不再使用的对象)所占用的内存回收回来,再释放到Java堆空间中。

9**. 当你遇到java.lang.outOfMemoryError时,不要紧张,有时候仅仅增加堆空间就可以了,但如果经常出现的话,就要看看Java程序中是不是存在内存泄露了。**

  1. 请使用Profiler和Heap dump分析工具来查看Java堆空间,可以查看给每个对象分配了多少内存

5 Java对象的大小

基本数据的类型的大小是固定的,这里就不多说了。对于非基本类型的Java对象,其大小就值得商榷。

在Java中,一个空Object对象的大小是8byte,这个大小只是保存堆中一个没有任何属性的对象的大小。看下面语句:

Object ob = new Object();

这样在程序中完成了一个Java对象的生命,但是它所占的空间为:4byte+8byte。4byte是上面部分所说的Java栈中保存引用的所需要的空间。而那8byte则是Java堆中对象的信息。因为所有的Java非基本类型的对象都需要默认继承Object对象,因此不论什么样的Java对象,其大小都必须是大于8byte。

有了Object对象的大小,我们就可以计算其他对象的大小了。

Class NewObject {

int count;

boolean flag;

Object ob;

}

其大小为:空对象大小(8byte)+int大小(4byte)+Boolean大小(1byte)+空Object引用的大小(4byte)=17byte。但是因为Java在对对象内存分配时都是以8的整数倍来分,因此大于17byte的最接近8的整数倍的是24,因此此对象的大小为24byte。

这里需要注意一下基本类型的包装类型的大小。因为这种包装类型已经成为对象了,因此需要把他们作为对象来看待。包装类型的大小至少是12byte(声明一个空Object至少需要的空间),而且12byte没有包含任何有效信息,同时,因为Java对象大小是8的整数倍,因此一个基本类型包装类的大小至少是16byte。这个内存占用是很恐怖的,它是使用基本类型的N倍(N>2),有些类型的内存占用更是夸张(随便想下就知道了)。因此,可能的话应尽量少使用包装类。在JDK5.0以后,因为加入了自动类型装换,因此,Java虚拟机会在存储方面进行相应的优化。

6 引用类型

对象引用类型分为强引用、软引用、弱引用和虚引用

**强引用:**就是我们一般声明对象是时虚拟机生成的引用,强引用环境下,垃圾回收时需要严格判断当前对象是否被强引用,如果被强引用,则不会被垃圾回收

**软引用:**软引用一般被做为缓存来使用。与强引用的区别是,软引用在垃圾回收时,虚拟机会根据当前系统的剩余内存来决定是否对软引用进行回收。如果剩余内存比较紧张,则虚拟机会回收软引用所引用的空间;如果剩余内存相对富裕,则不会进行回收。换句话说,虚拟机在发生OutOfMemory时,肯定是没有软引用存在的。

**弱引用:**弱引用与软引用类似,都是作为缓存来使用。但与软引用不同,弱引用在进行垃圾回收时,是一定会被回收掉的,因此其生命周期只存在于一个垃圾回收周期内。

强引用不用说,我们系统一般在使用时都是用的强引用。而“软引用”和“弱引用”比较少见。他们一般被作为缓存使用,而且一般是在内存大小比较受限的情况下做为缓存。因为如果内存足够大的话,可以直接使用强引用作为缓存即可,同时可控性更高。因而,他们常见的是被使用在桌面应用系统的缓存。

参考 :http://blog.jobbole.com/13373/

http://www.j2megame.org/index.php/content/view/2121/125.html

http://pengjiaheng.iteye.com/blog/518623
JVM调优总结(一)– 一些概念

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