99%的人都搞错了的java方法区存储内容,通过可视化工具HSDB和代码示例一次就弄明白了

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前言

本篇是java内存区域管理系列教程之实战篇 --通过可视化工具和日志窥探内存分配策略

全系列内容可在本文专栏-jvm大局观中查阅

jvm全局观www.zhihu.com

今天是实战篇,我们将通过一些常用的代码,依据可视化工具,来窥探这些代码背后,jvm内存分配的策略,其中会有颠覆全网80%的关于jvm方法区的认知(静态变量的存储区域)

看完本篇文章,读者将能够解答以下问题

运行如下代码

/**

 * staticObj、instanceObj、localObj存放在哪里？

 */

public class JHSDB_TestCase {

    static ObjectHolder staticObj = new ObjectHolder();

    ObjectHolder instanceObj = new ObjectHolder();

    public void foo() {

        ObjectHolder localObj = new ObjectHolder();

        System.out.println("done"); // 这里设一个断点

    }

    public static void main(String[] args) {

        JHSDB_TestCase test = new JHSDB_TestCase();

        test.foo();

    }

}

public class ObjectHolder {

    private int age;

}

staticObj、instanceObj、localObj这三个变量本身（而不是它们所指向的对象）存放在哪里？

先给出自己的答案,然后再对照文章最末尾的答案,关于staticObj的存放位置,极大可能会颠覆你的认知

笔墨不易,赠人玫瑰,手留余香

各种各样的可视化处理工具

JDK中除了附带大量的命令行工具外，还提供了几个功能集成度更高的可视化工具，用户可以使用这些可视化工具以更加便捷的方式进行进程故障诊断和调试工作。

这类工具主要包括JConsole、 JHSDB、VisualVM和JMC四个。

其中，JConsole是最古老，早在JDK 5时期就已经存在的虚拟机监控工具

JHSDB虽然名义上是JDK 9中才正式提供，但之前已经以sa-jdi.jar包里面的HSDB（可视化工具）和CLHSDB（命令行工具）的形式存在了很长一段时间。

它们两个都是JDK的正式成员，随着 JDK一同发布，无须独立下载，使用也是完全免费的

VisualVM在JDK 6 Update 7中首次发布，直到JRockit Mission Control与OracleJDK的融合工作完成之前，它都曾是Oracle主力推动的多合一故障处理工具，现在它已经从OracleJDK中分离出来，成为一个独立发展的开源项目。VisualVM已不是JDK中的正式成员，但仍是可以免费下载、使用的。

Java Mission Control，曾经是大名鼎鼎的来自BEA公司的图形化诊断工具，随着BEA公司被Oracle 收购，它便被融合进OracleJDK之中。在JDK 7 Update 40时开始随JDK一起发布，后来Java SE Advanced产品线建立，Oracle明确区分了Oracle OpenJDK和OracleJDK的差别 [3] ，JMC从JDK 11开始又被移除出JDK。虽然在2018年Oracle将JMC开源并交付给OpenJDK组织进行管理，但开源并不意味着免费使用，JMC需要与HotSpot内部的“飞行记录仪”（Java Flight Recorder，JFR）配合才能工作，而在 JDK 11以前，JFR的开启必须解锁OracleJDK的商业特性支持（使用JCMD的 VM.unlock_commercial_features或启动时加入-XX：+UnlockCommercialFeatures参数），所以这项功能在生产环境中仍然是需要付费才能使用的商业特性。

为避免本节讲解的内容变成对软件说明文档的简单翻译，笔者准备了一些代码样例，大多数是笔者特意编写的反面教材。

稍后将会使用JHSDB工具去监控、分析这些代码存在的问题，算是本节简单的实战演练。

读者可以把在可视化工具观察到的数据、现象，与前面的系列教程中讲解的理论知识进行互相验证。

JHSDB：基于服务性代理的调试工具

JHSDB是一款基于服务性代理（Serviceability Agent，SA）实现的进程外调试工具。服务性代理是 HotSpot虚拟机中一组用于映射Java虚拟机运行信息的、主要基于Java语言（含少量JNI代码）实现的 API集合。

服务性代理以HotSpot内部的数据结构为参照物进行设计，把这些C++的数据抽象出Java模型对象，相当于HotSpot的C++代码的一个镜像。

通过服务性代理的API，可以在一个独立的Java虚拟机的进程里分析其他HotSpot虚拟机的内部数据，或者从HotSpot虚拟机进程内存中dump出来的转储快照里还原出它的运行状态细节。服务性代理的工作原理跟Linux上的GDB或者Windows上的Windbg是相似的。

jdk9以前的版本中JHSDB的使用方式

在java9之前，JAVA_HOME/lib目录下有个sa-jdi.jar，可以通过如下命令启动HSDB(图形界面)及CLHSDB(命令行)

java -cp your_javahome_path/lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

或者

hsdb

sa-jdi.jar中的sa的全称为Serviceability Agent，它之前是sun公司提供的一个用于协助调试HotSpot的组件，而HSDB便是使用Serviceability Agent来实现的

HSDB就是HotSpot Debugger的简称，由于Serviceability Agent在使用的时候会先attach进程，然后暂停进程进行snapshot，最后deattach进程(进程恢复运行)，所以在使用HSDB时要注意

使用HSDB分析程序代码中的内存

本次，我们要借助JHSDB来分析一下程序1-1中的代码,，并通过实验来回答一个简单问题：staticObj、instanceObj、localObj这三个变量本身（而不是它们所指向的对象）存放在哪里？也就是开篇提到的问题

程序1-1

public class ObjectHolder {

    private int age;

}

/**

 * staticObj、instanceObj、localObj存放在哪里？

 */

public class JHSDB_TestCase {

    static ObjectHolder staticObj = new ObjectHolder();

    ObjectHolder instanceObj = new ObjectHolder();

    public void foo() {

        ObjectHolder localObj = new ObjectHolder();

        System.out.println("done"); // 这里设一个断点

    }

    public static void main(String[] args) {

        JHSDB_TestCase test = new JHSDB_TestCase();

        test.foo();

    }

}

答案可能会出乎你的意料

staticObj随着ObjectHolder的类型信息存放在堆区中

instanceObj随着JHSDB_TestCase的对象实例存放在堆区

localObject则是存放在foo()方法栈帧的局部变量表中,这个是在java虚拟机栈区。

这个答案不仅是通过前面的系列教程学习的理论知识得出的，更是要从今天的可视化工具JHSDB来实践验证这一点

使用JHSDB验证内存分布

Step 1: 启动程序与HSDB

首先，我们要确保这三个变量已经在内存中分配好，然后将程序暂停下来，以便有空隙进行实验，这只要把断点设置在代码中加粗的打印语句上，然后在调试模式下运行程序即可。

由于JHSDB本身对压缩指针的支持存在很多缺陷，建议用64位系统的读者在实验时禁用压缩指针，另外为了后续操作时可以加快在内存中搜索对象的速度，也建议读者限制一下Java堆的大小。

本例中，笔者采用的运行参数如下：

-Xmx10m -XX:+UseSerialGC -XX:-UseCompressedOops
注意: -XX:-UseCompressedOops和-XX:+UseCompressedOops 前者是减号, 表示不使用压缩指针

程序执行后通过jps查询到测试程序的进程ID，具体如下：

jps -l

4755 sun.tools.jps.Jps

4437 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher

4438 chapt4.JHSDB_TestCase

这里我们知道了,正在因debug被暂停的程序的pid为 4438, 后面我们会用到这个pid

先获取到本地jdk的home目录

使用以下命令进入JHSDB的图形化模式

sudo java -cp ./lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

命令打开的HSDB的界面如图所示

之前我们提到过, HSDB基于的服务性代理,可以在一个独立的Java虚拟机的进程里分析其他HotSpot虚拟机的内部数据,那么我现在需要输入一个我们希望检测的hotspot虚拟机的pid

点击File -> Attach to HotSpot process

在弹出的界面中输入我们要检测的程序的pid

点ok之后进入如下界面

阅读程序1-1 可知，运行至断点位置一共会创建三个ObjectHolder对象的实例

只要是对象实例必然会在Java堆中分配

既然我们要查找引用这三个对象的指针存放在哪里，不妨从这堆中的三个对象实例开始着手, 先把它们从Java堆中找出来。

先找到对象实例,后反向找到指向对象实例的引用.

Step 2: 找出在堆中存储的三个对象实例

我们知道 new 出的对象的实例,一般是在堆中新生代分配,并且上面创建的三个对象在当前debug的暂停时刻不满足任何进入老年代的条件

Step 2-1: 先获取到新生代的内存分布区间

首先点击菜单中的Tools->Heap Parameters ，结果下图所示，因为笔者的运行参数中指定了使用的是Serial收集器，图中我们看到了典型的Serial的分代内存布局，

Heap Parameters窗口中清楚列出了新生代的Eden、S1、S2和老年代的容量（单位为字节）以及它们的虚拟内存地址起止范围

Head Parameters中的完整信息如下

Heap Parameters:

Gen 0:   eden [0x000000010c000000,0x000000010c1ed678,0x000000010c2b0000) space capacity = 2818048, 71.71574082485465 used

  from [0x000000010c2b0000,0x000000010c2b0000,0x000000010c300000) space capacity = 327680, 0.0 used

  to   [0x000000010c300000,0x000000010c300000,0x000000010c350000) space capacity = 327680, 0.0 usedInvocations: 0

Gen 1:   old  [0x000000010c350000,0x000000010c350000,0x000000010ca00000) space capacity = 7012352, 0.0 usedInvocations: 0

这个方括号里面的内容

[0x000000010c000000,0x000000010c1ed678,0x000000010c2b0000)

分别表示内存起始地址，使用空间结束地址，整体空间结束地址

我们不难看出,当前程序中, 只有Eden区的起始地址和使用空间结束地址不相同(分配有对象),而from区和to区的使用空间地址和起始地址相同(空使用区域)

从Eden区的左侧地址开始到 to区的右侧结束

也就是从 0x000000010c000000 到 0x000000010c350000

Step 2-2: 在新生代内存分布空间中查找指定类的实例

打开Windows->Console窗口，使用scanoops命令在Java堆的新生代（从Eden起始地址到To Survivor结束地址）范围内查找 ObjectHolder的实例，结果如下所示：

hsdb> scanoops 0x000000010c000000 0x000000010c350000 chapt4.ObjectHolder

0x000000010c1ddee0 chapt4/ObjectHolder

0x000000010c1ddf28 chapt4/ObjectHolder

0x000000010c1ddf40 chapt4/ObjectHolder

hsdb>

果然找出了三个实例的地址, 到这一步,大致能说明, 这三个对象的实例都是在堆区分配的, 但是我们的任务还没有完成,因为我们是希望通过这三个实例,反向找到指向他们的引用

它们的地址也都落到了Eden的范围之内，算是顺带验证了一般情况下新对象在Eden中创建的分配规则。

Step 3: 通过实例找出引用实例的位置并确定存储引用所在的区域

通过Step 2我们在堆区中找到了这三个对象实例的地址, 现在我们进一步使用Tools->Inspector功能详细查看这三个对象的内容

Step 3-1: 第一个对象

第一个对象 0x000000010c1ddee0 chapt4/ObjectHolder

我们首先得知道这是三个对象中的哪一个

在Inspector中输入上面的地址 0x000000010c1ddee0 然后按下回车

我们可以看到有age属性,还有一个叫做 reverse pointer, 直译是反向指针, 其实就是指, 有哪些对象在引用当前对象,那个引用的名称叫 staticObj, 证明第一个对象就是staticObj对象,并且这个对象的引用是存在于一个Class类创建的实例中的,可以看到这个 staticObj 引用持有者,也就是这个Class对象的地址, 0x000000010c1d6118

Step 1 中, 我们已经知道了新生代的内存区域范围

从Eden区的左侧地址开始到 to区的右侧结束

也就是从

0x000000010c000000 到

0x000000010c350000

我们的staticObj 引用持有者Class对象的地址

0x000000010c1d6118

正在其中,说明Class对象,是在堆区中分配的

进一步的,其中Eden区的已分配内存空间范围为

0x000000010c000000 到

0x000000010c1ed678

我们的staticObj 引用持有者Class对象的地址

0x000000010c1d6118

正在其中,说明Class对象,是在堆区的Eden区中被分配的

必须要说明的是, 现在全网,大概90%的文章再说到方法区的作用的时候,都说到了静态变量是存储在方法区中的,java8中方法区是由元空间(jvm空间之外的内存)

但是在这个例子里面我们可以看到,在java8中静态变量的持有者Class对象,当然也包括这个静态变量,是在堆区中分配的

结论 : staticObj随着ObjectHolder的类型信息存放在堆区中

Step 3-2: 第二个对象

第二个对象 0x000000010c1ddf28 chapt4/ObjectHolder

我们首先得知道这是剩下的两个对象中的哪一个, 剩下一个是成员变量instanceObj,另一个是局部变量localObj

在Inspector中输入上面的地址 0x000000010c1ddf28 然后按下回车

我们可以看到有age属性,还有一个叫做 reverse pointer, 直译是反向指针, 其实就是指, 有哪些对象在引用当前对象,那个引用显示的是一个文件夹,表示当前对象被另一个对象持有

这个对象就是JHSDB_TestCase的实例对象, 证明第二个对象就是instanceObj对象,并且这个对象的引用是存储在了JHSDB_TestCase的实例中的,我们可以看到这个 instanceObj 引用持有者JHSDB_TestCase实例对象的地址, 0x000000010c1ddf10

前两步我们已经知道了新生代的内存区域范围

从Eden区的左侧地址开始到 to区的右侧结束

也就是从

0x000000010c000000 到

0x000000010c350000

我们的instanceObj 引用持有者JHSDB_TestCase对象的地址

0x000000010c1ddf10

正在其中,说明JHSDB_TestCase对象,是在堆区中分配的,这是预测之中的

结论: instanceObj随着JHSDB_TestCase的对象实例存放在堆区

Step 3-3: 第三个对象

第三个对象 0x000000010c1ddf40 chapt4/ObjectHolder

前两个对象我们已经找到,所以第三个对象一定是localObj

在Inspector中输入上面的地址 0x000000010c1ddf40 然后按下回车

我们可以看到有age属性,还有一个叫做 reverse pointer, 直译是反向指针, 其实就是指, 有哪些对象在引用当前对象,那个引用显示的是Stack 以及 main字样

我们就知道了 ,当前对象的引用localObj的持有者,在Stack,也就是栈区,我们可以看到这个 localObj 引用持有者所在的地址, 0x000070000989c9a0

前两步我们已经知道了新生代的内存区域范围

从Eden区的左侧地址开始到 to区的右侧结束

也就是从

0x000000010c000000 到

0x000000010c350000

我们的localObj 引用持有者所在的地址

0x000070000989c9a0

显然不在其中,说明localObj对象,并不是在堆区中分布

这时候我们在 HSDB 的桌面上的 java thread窗口 (默认一直开启的那个) 选中main 然后点击上方第二个图标 Stack Memory 查看 main线程在栈中的内存

点击之后出先下午,注意其中,找到了栈区中,包含有localObj引用的那块内存

结论: localObject则是存放在foo()方法栈帧的局部变量表中,这个是在java虚拟机栈区。

至此，本次实验中三个对象均已找到，并成功追溯到引用它们的地方,也就实践验证了开篇中提出的这些对象的引用是存储在什么地方的问题。

结论

运行如下代码

/**

 * staticObj、instanceObj、localObj存放在哪里？

 */

public class JHSDB_TestCase {

    static ObjectHolder staticObj = new ObjectHolder();

    ObjectHolder instanceObj = new ObjectHolder();

    public void foo() {

        ObjectHolder localObj = new ObjectHolder();

        System.out.println("done"); // 这里设一个断点

    }

    public static void main(String[] args) {

        JHSDB_TestCase test = new JHSDB_TestCase();

        test.foo();

    }

}

public class ObjectHolder {

    private int age;

}

staticObj、instanceObj、localObj这三个变量本身（而不是它们所指向的对象）存放在哪里？

staticObj随着ObjectHolder的类型信息存放在堆区中

instanceObj随着JHSDB_TestCase的对象实例存放在堆区

localObject则是存放在foo()方法栈帧的局部变量表中,这个是在java虚拟机栈区。

这个答案不仅是通过前面的系列教程学习的理论知识得出的，更是从今天的可视化工具JHSDB来实践验证了这一点