本節(jié)解說：本小節(jié)首先按照數(shù)據(jù)存儲方式對程序計數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、堆和方法區(qū)等做了一定程度的介紹，接著結(jié)合 JVM 各種參數(shù)配置對 Java 應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化，并通過具體實例幫助讀者找到優(yōu)化 Java 代碼的方法。
Java 虛擬機(jī)內(nèi)存模型是 Java 程序運行的基礎(chǔ)。為了能使 Java 應(yīng)用程序正常運行，JVM 虛擬機(jī)將其內(nèi)存數(shù)據(jù)分為程序計數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧、Java 堆和方法區(qū)等部分。
程序計數(shù)器 (Program Counter Register) 是一塊很小內(nèi)存空間，由于 Java 是支持線程的語言，當(dāng)線程數(shù)量超過 CPU 數(shù)量時，線程之間根據(jù)時間片輪詢搶奪 CPU 資源。對于單核 CPU 而言，每一時刻只能有一個線程在運行，而其他線程必須被切換出去。為此，每一個線程都必須用一個獨立的程序計數(shù)器，用于記錄下一條要運行的指令。各個線程之間的計數(shù)器互不影響，獨立工作，是一塊線程獨有的內(nèi)存空間。如果當(dāng)前線程正在執(zhí)行一個 Java 方法，則程序計數(shù)器記錄正在執(zhí)行的 Java 字節(jié)碼地址，如果當(dāng)前線程正在執(zhí)行一個 Native 方法，則程序計數(shù)器為空。
虛擬機(jī)棧用于存放函數(shù)調(diào)用堆棧信息。Java 虛擬機(jī)棧也是線程私有的內(nèi)存空間，它和 Java 線程在同一時間創(chuàng)建，它保存方法的局部變量、部分結(jié)果，并參與方法的調(diào)用和返回。
Java 虛擬機(jī)規(guī)范允許 Java 棧的大小是動態(tài)的或者是固定的。在 Java 虛擬機(jī)規(guī)范中定義了兩種異常與棧空間有關(guān)：StackOverflowError 和 OutOfMemoryError。如果線程在計算過程中，請求的棧深度大于最大可用的棧深度，則拋出 StackOverflowError;如果 Java �？梢詣討B(tài)擴(kuò)展，而在擴(kuò)展棧的過程中沒有足夠的內(nèi)存空間來支持棧的發(fā)展，則拋出 OutOfMemeoryError�？梢允褂�-Xss 參數(shù)來設(shè)置棧的大小，棧的大小直接決定了函數(shù)調(diào)用的可達(dá)深度。
下面的例子展示了一個遞歸調(diào)用的應(yīng)用。計數(shù)器 count 記錄了遞歸的層次，這個沒有出口的遞歸函數(shù)一定會導(dǎo)致棧溢出。程序則在棧溢出時，打印出棧的當(dāng)前深度。
清單 1. 遞歸調(diào)用顯示棧的最大深度
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public class TestStack {
private int count = 0;
//沒有出口的遞歸函數(shù)
public void recursion(){
count++;//每次調(diào)用深度加 1
recursion();//遞歸
}
public void testStack(){
try{
recursion();
}catch(Throwable e){
System.out.println("deep of stack is "+count);//打印棧溢出的深度
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args){
TestStack ts = new TestStack();
ts.testStack();
}
}
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清單 2. 清單 1 運行結(jié)果
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java.lang.StackOverflowError
at TestStack.recursion(TestStack.java:7)
at TestStack.recursion(TestStack.java:7)
at TestStack.recursion(TestStack.java:7)
at TestStack.recursion(TestStack.java:7)
at TestStack.recursion(TestStack.java:7)
at TestStack.recursion(TestStack.java:7)
at TestStack.recursion(TestStack.java:7)deep of stack is 9013
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虛擬機(jī)棧在運行時使用一種叫做棧幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存上下文數(shù)據(jù)。在棧幀中，存放了方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)連接方法和返回地址等信息。每一個方法的調(diào)用都伴隨著棧幀的入棧操作。相應(yīng)地，方法的返回則表示棧幀的出棧操作。如果方法調(diào)用時，方法的參數(shù)和局部變量相對較多，那么棧幀中的局部變量表就會比較大，棧幀會膨脹以滿足方法調(diào)用所需傳遞的信息。因此，單個方法調(diào)用所需的�？臻g大小也會比較多。
函數(shù)嵌套調(diào)用的次數(shù)由棧的大小決定。棧越大，函數(shù)嵌套調(diào)用次數(shù)越多。對一個函數(shù)而言，它的參數(shù)越多，內(nèi)部局部變量越多，它的棧幀就越大，其嵌套調(diào)用次數(shù)就會減少。
本地方法棧和 Java 虛擬機(jī)棧的功能很相似，本地方法棧用于存放函數(shù)調(diào)用堆棧信息。Java 虛擬機(jī)棧用于管理 Java 函數(shù)的調(diào)用，而本地方法棧用于管理本地方法的調(diào)用。本地方法并不是用 Java 實現(xiàn)的，而是使用 C 實現(xiàn)的。在 SUN 的 HotSpot 虛擬機(jī)中，不區(qū)分本地方法棧和虛擬機(jī)棧。因此，和虛擬機(jī)棧一樣，它也會拋出 StackOverflowError 和 OutofMemoryError。
堆用于存放 Java 程序運行時所需的對象等數(shù)據(jù)。幾乎所有的對象和數(shù)組都是在堆中分配空間的。Java 堆分為新生代和老生代兩個部分，新生代用于存放剛剛產(chǎn)生的對象和年輕的對象，如果對象一直沒有被回收，生存得足夠長，老年對象就被移入老年代。新生代又可進(jìn)一步細(xì)分為 eden、survivor space0 和 survivor space1。eden 即對象的出生地，大部分對象剛剛建立時都會被存放在這里。survivor 空間是存放其中的對象至少經(jīng)歷了一次垃圾回收，并得以幸存下來的。如果在幸存區(qū)的對象到了指定年齡仍未被回收，則有機(jī)會進(jìn)入老年代 (tenured)。下面例子演示了對象在內(nèi)存中的分配方式。
清單 3. 進(jìn)行一次新生代 GC
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public class TestHeapGC {
public static void main(String[] args){
byte[] b1 = new byte[1024*1024/2];
byte[] b2 = new byte[1024*1024*8];
b2 = null;
b2 = new byte[1024*1024*8];//進(jìn)行一次新生代 GC
System.gc();
}
}
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清單 4. 清單 3 的配置
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-XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=15 -Xms40M
-Xmx40M -Xmn20M
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清單 5. 清單 3 的輸出
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[GC [DefNew: 9031K->661K(18432K), 0.0022784 secs]
9031K->661K(38912K),
0.0023178 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.02 secs]
Heap
def new generation total 18432K, used 9508K [0x34810000, 0x35c10000,
0x35c10000)
eden space 16384K, 54% used [0x34810000, 0x350b3e58, 0x35810000)
from space 2048K, 32% used [0x35a10000, 0x35ab5490, 0x35c10000)
to space 2048K, 0% used [0x35810000, 0x35810000, 0x35a10000)
tenured generation total 20480K, used 0K [0x35c10000, 0x37010000,
0x37010000)
the space 20480K, 0% used [0x35c10000, 0x35c10000, 0x35c10200,
0x37010000)
compacting perm gen total 12288K, used 374K [0x37010000, 0x37c10000,
0x3b010000)
the space 12288K, 3% used [0x37010000, 0x3706db10, 0x3706dc00,
0x37c10000)
ro space 10240K, 51% used [0x3b010000, 0x3b543000, 0x3b543000,
0x3ba10000)
rw space 12288K, 55% used [0x3ba10000, 0x3c0ae4f8, 0x3c0ae600,
0x3c610000)
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上述輸出顯示 JVM 在進(jìn)行多次內(nèi)存分配的過程中，觸發(fā)了一次新生代 GC。在這次 GC 中，原本分配在 eden 段的變量 b1 被移動到 from 空間段 (s0)。最后分配的 8MB 內(nèi)存被分配在 eden 新生代。
方法區(qū)用于存放程序的類元數(shù)據(jù)信息。方法區(qū)與堆空間類似，它也是被 JVM 中所有的線程共享的。方法區(qū)主要保存的信息是類的元數(shù)據(jù)。方法區(qū)中最為重要的是類的類型信息、常量池、域信息、方法信息。類型信息包括類的完整名稱、父類的完整名稱、類型修飾符和類型的直接接口類表;常量池包括這個類方法、域等信息所引用的常量信息;域信息包括域名稱、域類型和域修飾符;方法信息包括方法名稱、返回類型、方法參數(shù)、方法修飾符、方法字節(jié)碼、操作數(shù)棧和方法棧幀的局部變量區(qū)大小以及異常表�？傊�，方法區(qū)內(nèi)保持的信息大部分來自于 class 文件，是 Java 應(yīng)用程序運行必不可少的重要數(shù)據(jù)。
在 Hot Spot 虛擬機(jī)中，方法區(qū)也稱為永久區(qū)，是一塊獨立于 Java 堆的內(nèi)存空間。雖然叫做永久區(qū)，但是在永久區(qū)中的對象同樣也可以被 GC 回收的。只是對于 GC 的表現(xiàn)也和 Java 堆空間略有不同。對永久區(qū) GC 的回收，通常主要從兩個方面分析：一是 GC 對永久區(qū)常量池的回收;二是永久區(qū)對類元數(shù)據(jù)的回收。Hot Spot 虛擬機(jī)對常量池的回收策略是很明確的，只要常量池中的常量沒有被任何地方引用，就可以被回收。
清單 6 所示代碼會生成大量 String 對象，并將其加入常量池中。String.intern() 方法的含義是如果常量池中已經(jīng)存在當(dāng)前 String，則返回池中的對象，如果常量池中不存在當(dāng)前 String 對象，則先將 String 加入常量池，并返回池中的對象引用。因此，不停地將 String 對象加入常量池會導(dǎo)致永久區(qū)飽和。如果 GC 不能回收永久區(qū)的這些常量數(shù)據(jù)，那么就會拋出 OutofMemoryError 錯誤。
清單.6 GC 收集永久區(qū)
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public class permGenGC {
public static void main(String[] args){
for(int i=0;i
String t = String.valueOf(i).intern();//加入常量池
}
}
}
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清單 7. 清單 6 的配置
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-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=4M -XX:+PrintGCDetails
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清單 8. 清單 6 的輸出
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[Full GC [Tenured: 0K->149K(10944K), 0.0177107 secs]
3990K->149K(15872K),
[Perm : 4096K->374K(4096K)], 0.0181540 secs] [Times: user=0.02 sys=0.02,
real=0.03 secs]
[Full GC [Tenured: 149K->149K(10944K), 0.0165517 secs]
3994K->149K(15936K),
[Perm : 4096K->374K(4096K)], 0.0169260 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00,
real=0.02 secs]
[Full GC [Tenured: 149K->149K(10944K), 0.0166528 secs]
3876K->149K(15936K),
[Perm : 4096K->374K(4096K)], 0.0170333 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00,
real=0.01 secs]
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每當(dāng)常量池飽和時,FULL GC 總能順利回收常量池數(shù)據(jù)，確保程序穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行。
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