JVM探究丶

JVM架构

双亲委派机制

类装载器采用的机制是双亲委派模式：当某个类加载器需要加载某个.class文件时，它首先把这个任务委托给他的上级类加载器，递归这个操作，如果上级的类加载器没有加载，自己才会去加载这个类。

BootstrapClassLoader启动类加载器:

c++编写，加载java核心库 java.*,构造ExtClassLoader和AppClassLoader。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作

ExtClassLoader标准扩展类加载器

java编写，加载扩展库，如classpath中的jre ，javax.*或者java.ext.dir 指定位置中的类，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

AppClassLoader系统类加载器

java编写，加载程序所在的目录，如user.dir所在的位置的class

CustomClassLoader用户自定义类加载器

java编写,用户自定义的类加载器,可加载指定路径的class文件

类加载器测试

public class Car {
    public int age;

    public static void main(String[] args) {
        Car car = new Car();
        System.out.println(car);

        Class<? extends Car> aClass = car.getClass();
        System.out.println(aClass);

        ClassLoader classLoader = aClass.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader
        System.out.println(classLoader.getParent());//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader jre8\lib\ext
        System.out.println(classLoader.getParent().getParent());//null rt.jar即root.jar
    }
}

双亲委派机制源码

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // First, check if the class has already been loaded
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }

            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);

                // this is the defining class loader; record the stats
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

作用

1、防止重复加载同一个.class。通过委托去向上面问一问，加载过了，就不用再加载一遍。保证数据安全。
2、保证核心.class不能被篡改。通过委托方式，不会去篡改核心.clas，即使篡改也不会去加载，即使加载也不会是同一个.class对象了。不同的加载器加载同一个.class也不是同一个Class对象。这样保证了Class执行安全。

沙箱安全机制

Java安全模型的核心就是Java沙箱（sandbox），沙箱是一个限制程序运行的环境。沙箱机制就是将 Java 代码限定在虚拟机(JVM)特定的运行范围中，并且严格限制代码对本地系统资源访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对本地系统造成破坏。沙箱主要限制系统资源访问：CPU、内存、文件系统、网络。

Native（JNI）

进入本地方法栈Native Method Area/Stack

public class Thread implements Runnable {
    public synchronized void start() {
        try {
            start0();
        }
    }
    private native void start0();
}

方法区

静态变量static、常量final、类信息Class（构造方法、接口定义）、运行时的常量池，都保存在方法区中，实例变量保存在堆内存中

栈

一种数据结构，先进后出。（main方法先执行，后结束）（区别于队列的先进先出FIFO）

存放的内容：基本数据类型、对象引用、实例方法

运行原理：栈帧，程序正在执行的方法一定在栈的顶部，栈溢出会报错StackOverFlowError

三种JVM版本

Sun公司的HotSpot
Oracle的JRockit
IBM的j9 VM

堆

Heap，一个JVM只有一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的
存放对象的实例
堆里边还分三个区域：新生区（伊甸园区+幸存0区+幸存1区）、养老区、永久区（jdk8以后叫元空间）
轻GC、重GC（full GC）
垃圾回收主要在伊甸园区和养老区
OOM：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

永久区

这个区是常驻内存的，用来存放Jdk自身携带的Class对象、Interface元数据，存储的是Java运行时的一些环境或类信息，这个区域不存在垃圾回收，关闭虚拟机释放。

jdk1.6：永久代，常量池是在方法区
jdk1.7：永久代，但是慢慢退化了，去永久代，常量池在堆中（方法区）
jdk1.8：无永久代，常量池在元空间（方法区），逻辑上存在

JVM调优

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        long max = Runtime.getRuntime().maxMemory();//虚拟机试图使用的最大内存 默认电脑内存的1/4
        long total = Runtime.getRuntime().totalMemory();//jvm初始化总内存 默认电脑内存的1/64
        System.out.println("max:"+max+"byte,"+max/(double)1024/1024+"MB");
        System.out.println("total:"+total+"byte,"+total/(double)1024/1024+"MB");
        //OOM调试jvm调优：-Xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails
    }
}

项目中定位OOM的工具：Jprofiler（idea+windows）、MAT（eclipse）

能够看到代码第几行出错，内存快照分析
分析Dump内存文件，快速定位内存泄漏
获得堆中的数据
获得大的对象

import java.util.ArrayList;

//-Xms设置初始化内存分配大小 1/64
//-Xmx设置最大内存分配 1/4
//-Xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
public class Demo03 {
    byte[] bytes = new byte[1024 * 1024];

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Demo03> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;

        try {
            while (true) {
                list.add(new Demo03());
                count++;
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("count:"+count);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

当最小堆占满后，会尝试进行GC，如果GC之后还不能得到足够的内存(GC未必会收集到所有当前可用内存)分配新的对象，那么就会扩展堆，如果-Xmx设置的太小，扩展堆就会失败，导致OutOfMemoryError错误提示。

JVM调优汇总

1、堆大小设置

JVM 中最大堆大小有三方面限制：相关操作系统的数据模型（32-bt还是64-bit）限制、系统的可用虚拟内存限制、系统的可用物理内存限制。32位系统下，一般限制在1.5G~2G；64为操作系统对内存无限制。原笔者在Windows Server 2003 系统，3.5G物理内存，JDK5.0下测试，最大可设置为1478m。

典型设置：

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k
-Xmx3550m：设置JVM最大可用内存为3550M。
-Xms3550m：设置JVM初始内存为3550m。此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。
-Xmn2g：设置年轻代大小为2G。整个JVM内存大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小。持久代一般固定大小为64m，所以增大年轻代后，将会减小年老代大小。此值对系统性能影响较大，Sun官方推荐配置为整个堆的3/8。
-Xss128k：设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M，以前每个线程堆栈大小为256K。更具应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。
java -Xmx3550m -Xms3550m -Xss128k -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=4 -XX:MaxPermSize=16m -XX:MaxTenuringThreshold=0
-XX:NewRatio=4:设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与年老代的比值（除去持久代）。设置为4，则年轻代与年老代所占比值为1:4，年轻代占整个堆栈的1/5
-XX:SurvivorRatio=4：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为4，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4，一个Survivor区占整个年轻代的1/6
-XX:MaxPermSize=16m:设置持久代大小为16m。
-XX:MaxTenuringThreshold=0：设置垃圾最大年龄。如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入年老代。对于年老代比较多的应用，可以提高效率。如果将此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制，这样可以增加对象在年轻代的存活时间，增加在年轻代即被回收的概率。

2、回收器选择

JVM给了三种选择：串行收集器、并行收集器、并发收集器，但是串行收集器只适用于小数据量的情况，所以这里的选择主要针对并行收集器和并发收集器。默认情况下，JDK5.0以前都是使用串行收集器，如果想使用其他收集器需要在启动时加入相应参数。JDK5.0以后，JVM会根据当前系统配置进行判断。

吞吐量优先的并行收集器

如上文所述，并行收集器主要以到达一定的吞吐量为目标，适用于科学技术和后台处理等。

典型配置：
- java -Xmx3800m -Xms3800m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20
  -XX:+UseParallelGC：选择垃圾收集器为并行收集器。此配置仅对年轻代有效。即上述配置下，年轻代使用并发收集，而年老代仍旧使用串行收集。
  -XX:ParallelGCThreads=20：配置并行收集器的线程数，即：同时多少个线程一起进行垃圾回收。此值最好配置与处理器数目相等。
- java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseParallelOldGC
  -XX:+UseParallelOldGC：配置年老代垃圾收集方式为并行收集。JDK6.0支持对年老代并行收集。
- java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:MaxGCPauseMillis=100
  -XX:MaxGCPauseMillis=100:设置每次年轻代垃圾回收的最长时间，如果无法满足此时间，JVM会自动调整年轻代大小，以满足此值。
- java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy
  -XX:+UseAdaptiveSizePolicy：设置此选项后，并行收集器会自动选择年轻代区大小和相应的Survivor区比例，以达到目标系统规定的最低相应时间或者收集频率等，此值建议使用并行收集器时，一直打开。
响应时间优先的并发收集器

如上文所述，并发收集器主要是保证系统的响应时间，减少垃圾收集时的停顿时间。适用于应用服务器、电信领域等。

典型配置：
- java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC
  -XX:+UseConcMarkSweepGC：设置年老代为并发收集。测试中配置这个以后，-XX:NewRatio=4的配置失效了，原因不明。所以，此时年轻代大小最好用-Xmn设置。
  -XX:+UseParNewGC:设置年轻代为并行收集。可与CMS收集同时使用。JDK5.0以上，JVM会根据系统配置自行设置，所以无需再设置此值。
- java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
  -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：由于并发收集器不对内存空间进行压缩、整理，所以运行一段时间以后会产生“碎片”，使得运行效率降低。此值设置运行多少次GC以后对内存空间进行压缩、整理。
  -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：打开对年老代的压缩。可能会影响性能，但是可以消除碎片

3、辅助信息

JVM提供了大量命令行参数，打印信息，供调试使用。主要有以下一些：

-XX:+PrintGC
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGC：PrintGCTimeStamps可与上面两个混合使用
-XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime:打印每次垃圾回收前，程序未中断的执行时间。可与上面混合使用
-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime：打印垃圾回收期间程序暂停的时间。可与上面混合使用
-XX:PrintHeapAtGC:打印GC前后的详细堆栈信息
-Xloggc:filename:与上面几个配合使用，把相关日志信息记录到文件以便分析。

4、常见配置汇总

堆设置
- -Xms:初始堆大小
- -Xmx:最大堆大小
- -XX:NewSize=n:设置年轻代大小
- -XX:NewRatio=n:设置年轻代和年老代的比值。如:为3，表示年轻代与年老代比值为1：3，年轻代占整个年轻代年老代和的1/4
- -XX:SurvivorRatio=n:年轻代中Eden区与两个Survivor区的比值。注意Survivor区有两个。如：3，表示Eden：Survivor=3：2，一个Survivor区占整个年轻代的1/5
- -XX:MaxPermSize=n:设置持久代大小
收集器设置
- -XX:+UseSerialGC:设置串行收集器
- -XX:+UseParallelGC:设置并行收集器
- -XX:+UseParalledlOldGC:设置并行年老代收集器
- -XX:+UseConcMarkSweepGC:设置并发收集器
垃圾回收统计信息
- -XX:+PrintGC
- -XX:+PrintGCDetails
- -XX:+PrintGCTimeStamps
- -Xloggc:filename
并行收集器设置
- -XX:ParallelGCThreads=n:设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。
- -XX:MaxGCPauseMillis=n:设置并行收集最大暂停时间
- -XX:GCTimeRatio=n:设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)
并发收集器设置
- -XX:+CMSIncrementalMode:设置为增量模式。适用于单CPU情况。
- -XX:ParallelGCThreads=n:设置并发收集器年轻代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数。

5、调优总结

年轻代大小选择
- 响应时间优先的应用：尽可能设大，直到接近系统的最低响应时间限制（根据实际情况选择）。在此种情况下，年轻代收集发生的频率也是最小的。同时，减少到达年老代的对象。
- 吞吐量优先的应用：尽可能的设置大，可能到达Gbit的程度。因为对响应时间没有要求，垃圾收集可以并行进行，一般适合8CPU以上的应用。
年老代大小选择
- 响应时间优先的应用：年老代使用并发收集器，所以其大小需要小心设置，一般要考虑并发会话率和会话持续时间等一些参数。如果堆设置小了，可以会造成内存碎片、高回收频率以及应用暂停而使用传统的标记清除方式；如果堆大了，则需要较长的收集时间。最优化的方案，一般需要参考以下数据获得：
  - 并发垃圾收集信息
  - 持久代并发收集次数
  - 传统GC信息
  - 花在年轻代和年老代回收上的时间比例
  减少年轻代和年老代花费的时间，一般会提高应用的效率
- 吞吐量优先的应用：一般吞吐量优先的应用都有一个很大的年轻代和一个较小的年老代。原因是，这样可以尽可能回收掉大部分短期对象，减少中期的对象，而年老代尽存放长期存活对象。
较小堆引起的碎片问题

因为年老代的并发收集器使用标记、清除算法，所以不会对堆进行压缩。当收集器回收时，他会把相邻的空间进行合并，这样可以分配给较大的对象。但是，当堆空间较小时，运行一段时间以后，就会出现“碎片”，如果并发收集器找不到足够的空间，那么并发收集器将会停止，然后使用传统的标记、清除方式进行回收。如果出现“碎片”，可能需要进行如下配置：
- -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：使用并发收集器时，开启对年老代的压缩。
- -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0：上面配置开启的情况下，这里设置多少次Full GC后，对年老代进行压缩

垃圾回收

GC的作用区域：方法区和堆

主要是回收新生代

新生代
幸存区（from，to）
老年区

GC有两种：轻GC，重GC（全局GC）

GC算法

引用计数法

计数为0的淘汰

缺点计数器成本

复制算法

GC执行时，将非垃圾对象复制到另一块内存空间中，并且保证内存上的连续性，然后直接清空之前使用的内存空间（from复制到to，谁空谁是新的to。）

好处无内存碎片，坏处也是显而易见的，直接损失了一半的可用内存。最佳实践：存货对象少，垃圾对象多的情况下，非常高效

标记清除法

扫描标记不可达对象，清除不可达对象

缺点两次扫面浪费时间+内存碎片，优点是不需要额外的空间

标记压缩

标记清除的方式之上，整理碎片

总结

内存效率：复制算法>标记清除算法>标记压缩算法（时间复杂度）

内存整齐度：复制算法=标记清除算法>标记压缩算法

内存利用效率：标记压缩算法=标记清除算法>复制算法

没有最好的算法，只有最合适的算法：分代收集

年轻代，存货率低：复制算法

老年代，存货率高：标记清除（碎片不是太多）+标记压缩

JMM

见JUC并发编程丶

posted @ 2020-11-14 14:25 夜雨秋池阅读(62) 评论(0) 编辑收藏举报

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