Java虚拟机 JVM笔记
2020-09-20 / Lampkins   

JVM是JRE的一部分，是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

JVM探究

  • 请你谈谈你对JVM的理解？java8虚拟机和之前的变化更新”
  • 什么是OOM？什么是栈溢出StackOverFlowError？怎么分析？
  • JVM的常用调优参数有哪些？
  • 内存快照如何抓取？怎么分析Dump文件?知道吗？谈谈JVM中，类加载器你的认识？

jvm java运行时数据分析，垃圾回收

JVM内存模型完整版

1. JVM的位置

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2. JVM的体系结构

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创建对象内存分析

3. 类加载器

作用：加载Class文件

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虚拟机自带的加载器

  1. 启动类（根）加载器 Bootstrap ClassLoader

    加载java核心库 java.*，%JAVA_HOME%/lib路径下的jar包，构造ExtClassLoader和AppClassLoader

  2. 扩展类加载器 Extension ClassLoader

    加载扩展库，如%JAVA_HOME%/jre/lib/ext ，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。

  3. 应用程序（系统类）加载器 AppClassLoader

    加载程序所在的目录，如user.dir所在的位置的class

  4. 用户自定义类加载器 CustomClassLoader

    用户自定义的类加载器,可加载指定路径的class文件

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ClassLoader classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader(); // 获取系统的 ClassLoader
System.out.println(classLoader); //AppClassLoader
System.out.println(classLoader.getParent()); //ExtClassLoader jre\lib\ext
System.out.println(classLoader.getParent().getParent); //null jre\lib\rt.jar

4. 双亲委派机制

APP – EXC – BOOT

向上委托，向下查找

过程

  1. 类加载器收到类加载的请求
  2. 检查该类是否已经被加载，是则直接使用，否则执行3
  3. 将这个请求向上委托给父类加载器去完成，一直向上委托，直到启动类加载器
  4. 启动类加载器检查是否能够加载当前这个类，能加载就结束，使用当前的加载器，否则， 抛出异常，通知子加载器进行加载
  5. 重复步骤4
    Class Not Found
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synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
    // 从内存中检查该类是否已被加载过，没有则执行加载流程
    Class<?> c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false); // 委托给父类加载器加载
            } else {
                c = findBootstrapClassOrNull(name); // 没有父类则委托给启动类加载器加载
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // ClassNotFoundException thrown if class not found from the non-null parent class loader
        }

        if (c == null) {
            // 如果向上委托没有找到，则用当前加载器(不含启动类加载器)去查找并加载
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) { //是否需要在加载时解析类
        resolveClass(c);
    }
    return c;
}

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作用

  • 防止加载同一个.class。通过委托向上一级询问，加载过了，就不用再加载一遍，保证数据安全
  • 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。

5. 沙箱安全机制

​ 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，那系统资源包括什么？——CPU、内存、文件系统、网络。不同级别的沙箱对这些资源访问的限制也可以不一样。

java中的安全模型(沙箱机制)

6. Native

native关键字：说明java的作用范围达不到了，进入本地方法栈，调用本地方法接口（JNI）去调用底层的库。

JNI：Java Native Interface（Java本地方法接口）
凡是带了native关键宇的方法就会进入本地方法栈，其他的就是Java栈

Native Interface本地接口
本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的具体做法是在Native Method Stack中登记native方法，在(Execution Engine )执行引擎执行的时候加载Native Libraies.

​ 目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等等，不多做介绍!

Native Method Stack

7. PC寄存器

程序计数器: Program Counter Register
每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的，就是一个指针， 指向方法区中的方法字节码(用来存储指向一条指令的地址，也即将要执行的指令代码)，在执行引擎中用于读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计

8. 方法区（静态区）

Method Area方法区
方法区是被所有线程共享,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(类元信息、属性、方法等)、串池、运行时常量池存在方法区中，但是实例变量存在堆内存中，和方法区无关

​ static、final、Class、常量池（对象字面量：基本类型的包装类对象字面量[-128,127]，String对象字面量）

  • 实现区域

    永久代：存储包括类信息、常量、字符串常量、类静态变量、即时编译器编译后的代码等数据 -XX:MaxPermSize

    元空间：本质和永久代类似，区别是其并不在虚拟机中，而是使用本地内存 -XX:MetaspaceSize -XX:MaxMetaspaceSize

9. 栈内存

栈（栈内存），主管线程的运行，生命周期和线程同步

线程结束栈内存就释放了，栈内存空了程序就结束了；不存在垃圾回收问题

栈内存常存放：局部变量 基本数据类型、对象引用、方法引用

栈内存运行原理：栈帧

栈内存及栈帧

Java虚拟机栈–栈帧

10. 三种JVM

  • Sun公司：Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.221-b11, mixed mode)
  • BEA公司：Oracle JRockit （原来的 Bea JRockit）
  • IBM公司：J9VM

11. 堆内存

Heap，一个JVM只有一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。
类加载器读取了类文件后，一般会把什么东西放到堆中？类, 方法，常量，变量，保存引用类型的真实对象

堆内存模型

  • 新生区
    • Eden区
    • Survivor from区
    • Survivor to区
    • 8:1:1
  • 老年区
  • 元空间 永久区

轻GC在新生区，重GC(full GC)在老年区

假设内存满了，OOM，堆内存不够！ java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

12. 新生区 老年区

13. 永久区

这个区域常驻内存的。用来存放JDK自身携带的lass对象。Interface元数据， 存储的是ava运行时的一些环境或类信息，不存在垃圾回收。关闭jvm虚拟机会释放这个区域的内存。

  • jdk1.6之前：有永久代，字符串常量池和运行时常量池在方法区；

  • jdk1.7：有永久代，但已经逐步”去永久代“，字符串常量池移到堆中，运行时常量池还在方法区中(永久带)

  • jdk1.8之后：无永久代，被元空间所取代，字符串常量池在堆中，运行时常量池在元空间

    最大区别：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

14. 堆内存调优

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// 返回jvm试图使用的最大内存
long max = Runtime.getRuntime().maxMemory();
// 返回jvm的初始化总内存，会随着时间发生变化
long total = Runtime.getRuntime().totalMemory();

默认情况下，maxMemory是电脑内存的1/4，totalMemory是1/64

-Xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails

-Xms 设置初始Java堆大小

Xmx 设置最大Java堆大小

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// -Xms8m -Xmx8m -XX:+PrintGCDetails
String str = "str";
while(true) {
    str = str +new Random().nextInt(999999999)+str;
}
// 先进行了5次轻GC，Eden区进入Survivor区导致，满了（或者年龄即轻GC次数到了），进入老年代，老年代满了，进行第一次重GC，清理年轻代，清理老年代(丢弃或进入元空间)...最后Java堆 老年代和元空间都满了 抛出OOM异常

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GC表示的是进行一次Minor GC
Allocation Failure：表示分配担保失败。
PSYoungGen：新生代采用Parallel Scavenge收集器
1536K->504K(2048K)：GC前该区域已使用容量->GC后该区域已经使用的容量(该区域总容量)
1536K->817K(7680K)：方括号外的数字表示 GC前Java堆已用容量->GC后Java堆容量(Java堆总容量)
0.0013784 secs：该内存区域GC所用的时间
Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs：用户态消耗的CPU时间，内核态消耗的CPU时间，操作从开始到结束所经历的墙钟时间(Wall Clock Time)

Full GC完全的垃圾回收
Ergonomics工程
ParOldGen老年代采用Parallel Old收集器
Metaspace元数据空间垃圾回收

Java内存分析工具

OOM，排错：

  1. 尝试扩大堆内存看结果

    1. 分析内存，看一下那里出现问题（工具分析）
      • Debug，一行行分析代码
      • 内存快照分析工具，MAT，JProfiler

MAT、Jprofiler作用：

  • 分析Dump内存文件，快速定位内存泄露
  • 获取堆中的数据
  • 获得大的对象
  • …

当抛出OOM时进行HeapDump：-Xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

Jprofiler的安装和使用

15. GC

目的： 回收堆内存中不再使用的对象，释放资源
回收时间： 当对象永久地失去引用后，系统会在合适的时候回收它所占用的内存。

System.gc(); / Runtime.getRuntime().gc();

15.1 垃圾回收与常用算法

如何确定垃圾？

  • 引用计数法

    ​ 一个对象如果没有任何与之关联的引用，即他的引用计数都为0，则说明对象不太可能再被用到，那么这个对象就是可回收对象。会出现循环引用问题

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  • 可达性分析

    ​ 当一个对象到任意一个GC Roots对象没有任何引用链相连时，则称该对象是不可达的。 要注意的是，不可达对象不等价于可回收对象，不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记 过程。两次标记后仍然是可回收对象，则将面临回收。

如何清除垃圾？

  • 复制算法

    将内存按内存容量划分为等大小的两块，当这块内存需要垃圾回收时,将此区域还存活的对象复制到另一块中，然后把这块内存清理掉。

    每次对整个半区进行操作，解决了内存碎片化的问题，但会多使用一定的内存空间，且存活对象较多时，效率会大大降低。

    最佳应用场景： 对象存活度较低的时候，新生代

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  • 标记清除法

    最基础的垃圾回收算法，分为两个阶段，标记和清除。标记阶段标记出所有需要回收的对象，清除阶段回收所有被标记的对象。

    内存碎片化严重，可能发生大对象找不到可利用空间的问题。

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  • 标记整理法

    标记后将存活对象移向内存的一端，然后清除端边界外的对象。

    防止了内存碎片的产生，整理需耗用一定时间

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  • 标记清除整理：先标记清除，内存碎片较多时再使用标记整理

  • 分代收集法 GC

    根据对象存活的不同生命周期将内存划分为不同的域，一般情况下将 GC 堆划分为新生代(Young Generation)和老生代(Tenured/Old Generation)。

    新生代的特点是对象生存时间比较短，存活率低，每次可回收的垃圾对象较多，采用复制算法。

    ​ HotSpot实现的复制算法流程：

    1. 当Eden区满的时候会触发第一次Minor gc，把还存活的对象拷贝到Survivor From区中。
    2. 当Eden区再一次触发Minor gc时，会对Eden区和Survivor From区进行垃圾回收,把还存活的对象复制到To区域,并将Eden和From区清空，此时Form和To名称交换。
    3. 有些对象会在From区和To区来回复制，如此交换15次(默认为15次,-XX:MaxTenuringThreshold=15)，最终如果还是存活，就存入老年代。

    老生代的特点是空间比较大，存活率高，每次可回收的垃圾对象较少，采用标记清除(内存碎片较少)和标记整理算法。

  • 总结

    内存效率：复制算法 > 标记清除算法 > 标记整理算法(时间复杂度)
    内存整齐度：复制算法 = 标记整理算法 > 标记清除算法
    内存利用率：标记整理算法 = 标记清除算法 > 复制算法

16. JMM(Java Memory Model)

​ JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

​ 本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。其关系模型图如下图所示：JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：

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更多内容：深入理解java虚拟机（全章节完整）

本文链接：
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