第5章 JVM调优

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5.1 Java虚拟机内存模型

Java虚拟机内存模型是Java程序运行的基础。JVM将其内存数据分为程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈，Java堆和方法区等部分。
程序计数器：用于存放下一条运行的指令；
虚拟机栈和本地方法栈：用于存放函数调用堆栈信息；
Java堆：用于存放Java程序运行时所需的对象等数据；
方法区：用于存放程序的类元数据信息；

5.1.1 程序计数器

程序计数器是一块很小内存空间。由于Java是支持线程的语言，当线程数量超过CPU数量时，线程之间根据时间片轮询抢夺CPU资源。对于单核CPU而言，每一时刻，只能有一个线程在运行，而其他线程必须被切换出去。为此，每一个线程都必须用一个独立的程序计数器，用于记录下一条要运行的指令。各个线程之间的计数器互不影响，独立工作，是一块线程私有的内存空间。

如果当前线程正在执行一个Java方法，则程序计数器记录正在执行的Java字节码地址，如果当前线程正在执行一个Native方法，程序计数器为空。

5.1.2 Java虚拟机栈

Java虚拟机栈也是线程私有的内存空间，它和Java线程在同一时间创建，它保存方法的局部变量，部分结果，并参与方法的调用与返回。

Java虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定的。在Java虚拟机规范中，定义了两种异常与栈空间有关：StackOverflowError和OutOfMemoryError。如果线程在计算过程中，请求的栈深度大于最大可用的栈深度，则抛出StackOverflowError；如果Java栈可以动态扩展，而在扩展栈的过程中，没有足够的内存空间来支持栈的扩展，则抛出OutOfMemoryError。

在HotSpot虚拟机中，可以使用-Xss参数来设置栈的大小。栈的大小直接决定了函数调用的可达深度。

虚拟机栈在运行时使用一种叫做栈帧的数据结构保存上下文数据。在栈帧中，存放了方法的局部变量表，操作数栈，动态连接方法和返回地址等信息。每一个方法的调用都伴随着栈帧的入栈操作。相应地，方法的返回则表示栈帧的出栈操作。如果方法调用时，方法的参数和局部变量相对较多，那么栈帧中的局部变量表就会比较大，栈帧会膨胀以满足方法调用所需传递的信息。因此，单个方法调用所需的栈空间大小也会比较多。

注意：函数嵌套调用的次数由栈的大小决定。栈越大，函数嵌套调用次数越多。对一个函数而言，它的参数越多，内部局部变量越多，它的栈帧就越大，其嵌套调用次数就会越少。

在栈帧中，与性能调优关系最为密切的部分就是局部变量表。局部变量表用于存放方法的参数和方法内部的局部变量。局部变量表以“字”为单位进行内存的划分，一个字为32位长度。对于long和double型的变量，则占用2个字，其余类型使用1个字。在方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递，对于非static方法，虚拟机还会将当前对象（this）作为参数通过局部变量表传递给当前方法。

注意：使用jclasslib工具可以深入研究Class类文件的结构，有助于读者对Java语言更深入的了解。

局部变量表的字空间是可以重用的。因为在一个方法体内，局部变量的作用范围并不一定是整个方法体。

// 最大局部变量表容量：2+1=3
public void test1() {
    {
        long a = 0;
    }
    long b = 0;
}
// 最大局部变量表容量：2+2+1=3
public void test2() {
    long a = 0;
    long b = 0;
}

局部变量表的字，对系统GC也有一定影响。如果一个局部变量被保存在局部变量表中，那么GC根就能引用到这个局部变量所指向的内存空间，从而在GC时，无法回收这部分空间。

// GC无法回收，因为b还在局部变量表中
public static void test1() {
    {
        byte[] b = new byte[6*1024*1024];
    }
    System.gc();
    System.out.println("first explict gc over");
}
// GC可以回收，因为赋值为null将销毁局部变量表中的数据
public static void test1() {
    {
        byte[] b = new byte[6*1024*1024];
        b = null;
    }
    System.gc();
    System.out.println("first explict gc over");
}

// GC可以回收，因为变量a复用了b的字，GC根无法找到b
public static void test1() {
    {
        byte[] b = new byte[6*1024*1024];
    }
    int a = 0;
    System.gc();
    System.out.println("first explict gc over");
}

// GC无法回收，因为变量a复用了c的字，b仍然存在
public static void test1() {
    {
        int c = 0;
        byte[] b = new byte[6*1024*1024];
    }
    int a = 0; // 复用c的字
    System.gc();
    System.out.println("first explict gc over");
}

// GC可以回收，因为变量d复用了b的字
public static void test1() {
    {
        int c = 0;
        byte[] b = new byte[6*1024*1024];
    }
    int a = 0; // 复用c的字
    int d = 0; // 复用b的字
    System.gc();
    System.out.println("first explict gc over");
}

在这个函数体内，即使在变量b失效后，又未能定义足够多的局部变量来复用该变量所占的字，变量b仍会在该栈帧的局部变量表中。因此GC根可以引用到该内存块，阻碍了其回收过程。在这种环境下，手工对要释放的变量赋值为null，是一种有效的做法。

当方法一结束，该方法的栈帧就会被销毁，即栈帧中的局部变量表也被销毁。

注意：局部变量表中的字可能会影响GC回收。如果这个字没有被后续代码复用，那么它所引用的对象不会被GC释放。

5.1.3 本地方法栈

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