JVM基本知识

一、JVM 内存模型

自己画的：

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下面两个网上找的：

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二、类装载子系统

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1、类的的整个生命周期

类从被加载到JVM中开始，到卸载为止，整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。

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其中类加载过程包括加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段。

2、加载（Loading）

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加载过程，将类的.class文件中的二进制数据读入内存，放在运行时区域的方法区内。然后在堆中创建java.lang.Class对象，用来封装类在方法区的数据结构。

类加载阶段：

（1）Java虚拟机将.class文件读入内存，并为之创建一个Class对象。

（2）任何类被使用时系统都会为其创建一个且仅有一个Class对象。

（3）这个Class对象描述了这个类创建出来的对象的所有信息，比如有哪些构造方法，都有哪些成员方法，都有哪些成员变量等。

类加载器（class loader）

类加载器的任务就是根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到JVM中，然后转换为一个与目标类对应的java.lang.Class对象实例。

加载过程中会用到三种加载器（下面是按父子孙的排列顺序）：

  • 启动类（根）加载器（BootStrap class loader）：扫描类的范围 JRE/lib/rt.jar
  • 扩展类加载器（Extension class loader）：扫描类的范围 JRE/lib/ext/*.jar
  • 应用程序（系统类）加载器（Applicationclass loader）扫描类的范围 classpath指定的所有jar或目录

双亲委派机制

类加载器加载过程就要说下双亲委派机制了：

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委托给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需要加载的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

使用双亲委托机制的好处是：能够有效确保一个类的全局唯一性，当程序中出现多个限定名相同的类时，类加载器在执行加载时，始终只会加载其中的某一个类。

双亲委派机制对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委托的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，逻辑是先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载器加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass方法进行加载。

3、连接（Linking）

类的验证（verify）、准备（prepare）、解析（resolve）阶段我们给统称为连接过程。

  • 验证阶段：验证类数据信息是否符合JVM规范，是否是一个有效的字节码文件，验证内容涵盖了类数据信息的格式验证、语义分析、操作验证等。

  • 准备阶段：为类中的所有静态变量分配内存空间，并为其设置一个初始值（由于还没有产生对象，实例变量不在此操作范围内）
    被final修饰的静态变量，会直接赋予原值；类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，则在准备阶段，其值就是ConstantValue的值。

  • 解析阶段：将常量池中的符号引用转为直接引用（得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量，以便直接调用该方法），这个可以在初始化之后再执行。可以认为是一些静态绑定的会被解析，动态绑定则只会在运行是进行解析；静态绑定包括一些final方法(不可以重写)，static方法(只会属于当前类)，构造器(不会被重写)。

4、初始化（Initialization）

将一个类中所有被static关键字标识的代码统一执行一遍，如果执行的是静态变量，那么就会使用用户指定的值覆盖之前在准备阶段设置的初始值；如果执行的是static代码块，那么在初始化阶段，JVM就会执行static代码块中定义的所有操作。
所有类变量初始化语句和静态代码块都会在编译时被前端编译器放在收集器里头，存放到一个特殊的方法中，这个方法就是<clinit>方法，即类/接口初始化方法。该方法的作用就是初始化一个中的变量，使用用户指定的值覆盖之前在准备阶段里设定的初始值。任何invoke之类的字节码都无法调用<clinit>方法，因为该方法只能在类加载的过程中由JVM调用。
如果父类还没有被初始化，那么优先对父类初始化，但在<clinit>方法内部不会显示调用父类的<clinit>方法，由JVM负责保证一个类的<clinit>方法执行之前，它的父类<clinit>方法已经被执行。
JVM必须确保一个类在初始化的过程中，如果是多线程需要同时初始化它，仅仅只能允许其中一个线程对其执行初始化操作，其余线程必须等待，只有在活动线程执行完对类的初始化操作之后，才会通知正在等待的其他线程。

三、本地方法区(本地方法栈)

Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。

  • 本地方法栈是线程私有的。

  • 允许被实现成固定或者可动态扩展的内存大小，有StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

  • 具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库。

当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不受虚拟机限制的世界，和虚拟机拥有同样的权限。

  • 本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区
  • 可以直接使用本地处理器中的寄存器
  • 直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。

并不是所有的JVM都支持本地方法，Java虚拟机并没有明确要求本地方法栈使用的语言、具体实现方式、数据结构等。

在Hotspot JVM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

四、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register / PC寄存器）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。如果线程正在执行的是一个Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie 方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError 情况的区域。

五、方法区

方法区是被所有线程共享的，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法，如构造函数，接口代码也在此定义。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区域属于共享区间;

静态变量、常量、类信息(构造方法、接口定义)、运行时的常量池 都存在方法区中，但是实例变量存在堆内存中，和方法区无关 。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant PoolTable），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

六、栈

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与程序计数器一样，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。其中64 位长度的long 和double 类型的数据会占用2 个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1 个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在Java 虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError 异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java 虚拟机都可动态扩展，只不过Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError 异常。

七、堆

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Java 堆（Java Heap）是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java 虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT 编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC 堆”（Garbage Collected Heap）。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java 堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等。

在JDK1.8以前的HotSpot JVM有方法区，也叫永久代(permanent generation)，JDK1.8后将永久代改为了元空间，现在方法区也归在元空间里，元空间也叫非堆，实际上这些都是逻辑上的区分。

根据Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms 控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError 异常。

OutOfMemoryError 异常分析：

// 默认情况下，分配的总内存是电脑内存的1/4， 而初始化内存是电脑内存的1/64
// -Xms 设置初始化内存分配大小  默认 -> 1/64
// -Xmx 设置最大分配内存 默认 -> 1/4
// -XX:+PrintGCDetails 打印GC垃圾回收信息
// -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError  生成dump文件当OutOfMemoryError错误时
// java类辅助分析：Runtime : Runtime.getRuntime().totalMemory();Runtime.getRuntime().maxMemory();

// 出现OOM问题
// 1、尝试扩大堆内存
-Xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails

// 2、分析内存，看哪里出了问题
// 使用Jprofiler分析工具分析
// 首先生成dump文件
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
使用Jprofiler分析工具分析dump文件

JVM堆内存常用参数

参数 描述
-Xms 堆内存初始大小，单位m、g
-Xmx（MaxHeapSize） 堆内存最大允许大小，一般不要大于物理内存的80%
-XX:PermSize 非堆内存初始大小，一般应用设置初始化200m，最大1024m就够了
-XX:MaxPermSize 非堆内存最大允许大小
-XX:NewSize（-Xns） 年轻代内存初始大小
-XX:MaxNewSize（-Xmn） 年轻代内存最大允许大小，也可以缩写
-XX:SurvivorRatio=8 年轻代中Eden区与Survivor区的容量比例值，默认为8，即8:1
-Xss 堆栈内存大小

GC (Garbage Collected)

分代概念

新生成的对象首先放到年轻代Eden区，当Eden空间满了，触发Minor GC，存活下来的对象移动到幸存0区，幸存0区满后触发执行Minor GC，幸存0区存活对象移动到幸存1区，这样保证了一段时间内总有一个幸存区为空。在以上幸存交换步骤重复N次（N = MaxTenuringThreshold（年龄阀值设定，默认15））依然存活的对象，就会被移动到老年代。
老年代存储长期存活的对象，占满时会触发Major GC=Full GC，GC期间会停止所有线程等待GC完成，所以对响应要求高的应用尽量减少发生Major GC，避免响应超时。
Minor GC ： 清理年轻代
Major GC ： 清理老年代
Full GC ： 清理整个堆空间，包括年轻代和永久代
所有GC都会停止应用所有线程。

默认的新生代（Young generation）、老年代（Old generation）所占空间比例为 1 : 2 。

默认新生代空间的分配：Eden : From : To = 8 : 1 : 1

老年代空间的构成与逻辑

老年代空间的构成其实很简单，它不像新生代空间那样划分为几个区域，它只有一个区域，里面存储的对象并不像新生代空间绝大部分都是朝闻道，夕死矣。这里的对象几乎都是从Survivor 空间中熬过来的，它们绝不会轻易的狗带。因此，Full GC（Major GC）发生的次数不会有Minor GC 那么频繁，并且做一次Major GC 的时间比Minor GC 要更长（约10倍）。

为什么分代？

将对象根据存活概率进行分类，对存活时间长的对象，放到固定区，从而减少扫描垃圾时间及GC频率。针对分类进行不同的垃圾回收算法，对算法扬长避短。

为什么survivor分为两块相等大小的幸存空间？

主要为了解决碎片化。

JVM GC 算法讲解

1、根搜索算法

根搜索算法是从离散数学中的图论引入的，程序把所有引用关系看作一张图，从一个节点GC ROOT 开始，寻找对应的引用节点，找到这个节点后，继续寻找这个节点的引用节点。当所有的引用节点寻找完毕后，剩余的节点则被认为是没有被引用到的节点，即无用的节点。

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上图红色为无用的节点，可以被回收。

目前Java中可以作为GC ROOT的对象有：

1、虚拟机栈中引用的对象（本地变量表）

2、方法区中静态属性引用的对象

3、方法区中常亮引用的对象

4、本地方法栈中引用的对象（Native对象）

基本所有GC算法都引用根搜索算法这种概念。

2、标记 - 清除算法

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标记-清除算法采用从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象进行直接回收，如上图。

标记-清除算法不需要进行对象的移动，并且仅对不存活的对象进行处理，在存活的对象比较多的情况下极为高效，但由于标记-清除算法直接回收不存活的对象，并没有对还存活的对象进行整理，因此会导致内存碎片。

3、复制算法

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复制算法将内存划分为两个区间，使用此算法时，所有动态分配的对象都只能分配在其中一个区间（活动区间），而另外一个区间（空间区间）则是空闲的。

复制算法采用从根集合扫描，将存活的对象复制到空闲区间，当扫描完毕活动区间后，会的将活动区间一次性全部回收。此时原本的空闲区间变成了活动区间。下次GC时候又会重复刚才的操作，以此循环。

复制算法在存活对象比较少的时候，极为高效，但是带来的成本是牺牲一半的内存空间用于进行对象的移动。所以复制算法的使用场景，必须是对象的存活率非常低才行，而且最重要的是，我们需要克服50%内存的浪费。

4、标记 - 整理算法

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标记-整理算法采用 标记-清除 算法一样的方式进行对象的标记、清除，但在回收不存活的对象占用的空间后，会将所有存活的对象往左端空闲空间移动，并更新对应的指针。标记-整理 算法是在标记-清除 算法之上，又进行了对象的移动排序整理，因此成本更高，但却解决了内存碎片的问题。

JVM为了优化内存的回收，使用了分代回收的方式，对于新生代内存的回收（Minor GC）主要采用复制算法。而对于老年代的回收（Major GC），大多采用标记-整理算法。

引用：https://zhuanlan.zhihu.com/p/25539690

八、JVM品种

  • Sun --> HotSpot
  • IBM --> j9 vm
  • BEA --> JRockite

我们平常一般学习使用的都是HotSpot。

posted @ 2021-11-01 11:09  金盛年华  阅读(87)  评论(0)  编辑  收藏  举报