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JVM Part

JVM组成

JVM：Java Virtual Machine 也就是Java程序的运行环境（准确的说，是Java二进制字节码的运行环境）

  • 一次编写，到处运行
  • 自动内存管理，垃圾回收机制

JVM的具体组成部分

  • ClassLoader（类加载器）
  • Runtime Data Area（运行时数据区，内存分区）
  • Execution Engine（执行引擎）
  • Native Method Library（本地库接口）

运行流程如下：

  1. 类加载器（ClassLoader）将Java代码转换为字节码
  2. 运行时数据区（Runtime Data Area）将字节码加载到内存中，而字节码文件只是JVM的一套指令集规范，并不能直接交给底层系统去执行，而是由执行引擎运行
  3. 执行引擎（Execution Engine）将字节码翻译为底层系统指令，再交给CPU执行。此时，需要调用其他语言的本地库接口（Native Method Library），来实现整个程序的功能

什么是程序计数器？

程序计数器：线程私有的，内部保存的字节码的行号。 用于记录正在执行的字节码指令的地址

Java虚拟机对于多线程是通过线程轮流切换并且分配线程执行时间，在任何一个时间点，处理器只会处理执行一个线程。如果当前被执行的线程所分配的时间片执行完毕（挂起），处理器会切换到另一个线程去执行。

那么问题来了，当前处理器怎么知道，这个被挂起的线程，上一次执行到了哪里？此时，程序计数器便发挥了作用，其会记录线程执行到的行号

程序计数器是JVM规范中，唯一一个没有规定出现OOM的区域，所以这个空间也不会进行GC

关于元空间（MetaSpace）

运行时数据区中还有一块，元空间，这部分存储的是原本在堆上的方法区“永久代” 这样的话就避免了OOM的出现

自Java8之后，PermGen被移除出HotSpot JVM

注意到：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，于默认情况下，元空间大小仅受本地内存限制

关于虚拟机栈

虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）属于运行时数据区的一部分

  • 每个线程运行时需要的内存，称为虚拟机栈，先进后出
  • 每个栈由多个栈帧（frame）组成，对应着每个方法调用时，所占用的内存
  • 每个线程只有一个活动栈帧，对应现在正在执行的那个方法

注意如下这几个要点：

question A：垃圾回收是否涉及到栈内存？

垃圾回收主要指的是堆内存，当栈帧弹栈之后，内存就会释放

Question B：栈内存分配越大越好吗？

并不是这样，栈内存默认大小为1024K。栈帧过大会导致线程数量变少，那么能活动的栈帧就会变少。

Question C：方法内的局部变量是否安全？

  • 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用范围，其就是线程安全的
  • 如果是局部变量引用了对象，并且逃离方法的作用范围，就需要考虑线程安全！

栈内存溢出的具体情况？

  • 栈帧过多，会导致栈内存溢出，典型的问题是：递归调用导致 java.lang.StackOverflowError
  • 栈帧过大，导致栈内存溢出

关于JVM运行时数据区

组成部分：堆、方法区、栈、本地方法栈、程序计数器

  • 关于堆：堆解决的是对象实例存储的问题，垃圾回收器管理的主要区域
  • 方法区/元空间：其可以被认为是堆的一部分，用于存储已经被虚拟机加载的信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码
  • 栈解决的是程序运行的问题，栈内部存储的是栈帧。栈帧内部，存储的是局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息
  • 程序计数器（PC寄存器）：其存放的是当前线程所执行的字节码的行数。JVM工作时，就是通过改变这个计数器的值，去选取下一个要执行的字节码指令

关于方法区

方法区（Method Area）：其是各个线程共享的内存区域

  • 存储类的信息、运行时常量池
  • 虚拟机启动时创建，关闭虚拟机时释放
  • 如果方法区域中的内存无法满足分配需求，会报错OOM

实际上，方法区的来由是，自Java8之后，将永久代从原本的堆区域中移出，改成了一个存储在本地内存中的固定区域——方法区/元空间

关于直接内存

直接内存是什么东西？

回答：直接内促是不受JVM内存回收管理，而是虚拟机的系统内存，常用于NIO操作时，用作数据缓冲区，分配回收成本高，但是读写性能也很高

注意到，其不受JVM内存回收管理

NIO传输数据的流程重点，在于直接使用到了直接内存，而不是在堆中开辟空间进行数据的拷贝。JVM可以直接进操作直接内存，从而使得数据读写传输更快

关于堆/栈的区别？

  • 栈内存用于存储局部变量和方法调用，而堆内存一般用于存储Java对象和数组；对于堆，会自动执行GC垃圾回收，但是对于栈不会
  • 栈内存是线程私有的，而堆内存是线程共有的；
  • 两者异常错误是不同的：
    • 栈空间不足：Java.lang.StackOverFlowError
    • 堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError

类加载器详谈

在学习这部分内容之前，先搞清楚一个问题：

一个Java文件，其从编译到执行的整个过程？

  • 类加载器：用于装载字节码文件（.class文件）
  • 运行时数据区：用于分配存储空间
  • 执行引擎：执行字节码文件或者本地方法
  • 垃圾回收器：用于对JVM中的垃圾内容进行回收

关于类加载器

JVM运行的是二进制文件，而类加载器的主要作用，是将字节码文件加载到JVM中，从而启动Java程序

类加载器的种类：

  • 启动类加载器
  • 扩展类加载器
  • 应用类加载器
  • 自定义类加载器

实际上，类加载器的体系并不是“继承”体系，而是委派体系。类加载器会先到自己的parent中，去查找类或者资源；如果找不到才去本地找。

为什么要这么做呢？

动机是为了避免相同的类被加载多次

JVM采用双亲委派机制的原因

  • 通过双亲委派机制，可以避免一个类被重复加载；当父类已经加载后，无需重复加载，保证唯一性
  • 为了安全考虑，保证类库API不会被修改

类装载的执行过程

类从加载到虚拟机中开始，直到卸载为止，其生命周期经过7个阶段，如下：

  • 加载
  • 验证
  • 准备
  • 解析
  • 初始化
  • 使用
  • 卸载

以上步骤较多，注意到其中验证、准备、解析三部分统称为连接

关于加载
  1. 根据类的全名，获取类的二进制数据流
  2. 解析类的二进制数据流为方法内的数据结构（Java类模型）
  3. 创建java.lang.Class类的实例，表示该类型。作为方法区这个类的各种数据的访问入口
关于验证
  1. 文件格式验证：是否符合Class文件的规范
  2. 元数据验证
  3. 字节码验证
  4. 符号引用验证
关于准备

为类变量分配内存，并且设置类变量的初始值

关于解析

将类中的符号引用转换为直接引用

关于初始化

对类的静态变量、静态代码执行初始化操作

关于使用

JVM开始从入口方法执行用户的程序代码：

  • 调用静态类成员信息
  • 使用new 关键字 为其创建对象实例
关于卸载

用户程序代码执行完毕后，JVM便开始销毁创建的 Class 对象，最后负责运行的 JVM 也退出内存

垃圾回收

自动的垃圾回收机制，也就是GC 即 Garbage Collection

对象什么时候会被垃圾器回收？

如果一个对象或者多个对象，没有任何的引用指向它。那么这个对象现在就是垃圾，如果定位了垃圾，就有可能会被垃圾回收器回收

定位垃圾的两种方式：

  • 引用计数法
  • 可达性分析算法

引用计数法

计算对象被引用的次数，如果次数为0，那么代表这个对象会被回收

但是这实际上存在一个问题，如果对象之间存在循环引用，就会使得引用计数法失效

优点：

  • 实时性比较高
  • 在垃圾回收过程中，应用无需挂起
  • 区域性，更新对象的计数器时，只是影响到该对象，而不会扫描全部对象

缺点：

  • 每次对象被引用时，都会去更新计数器，这样会带来极大的时间开销
  • 浪费CPU资源
  • 无法解决循环引用问题，会引发内存泄漏

可达性分析算法

现代的虚拟机采用的都是通过可行性分析算法来确定哪些内容是垃圾

存在一个根节点：GC Roots

对象中存在一个方法，叫做finalize，当发生GC的时候，首先会判断这个对象是否执行了finalize方法。发生GC时，如果没执行这个方法，先去执行，并和GC ROOTS产生关联；如果执行过，而且不可达，就对此对象进行回收。

注意到，根对象是那些肯定不能作为垃圾回收的对象

关于JVM的垃圾回收算法

  • 标记清除算法
  • 复制算法
  • 标记整理算法
  • 分代收集算法

标记清除算法

其解决了引用计数算法中的循环引用问题，没有从root节点中引用的对象都会被回收

当然，也存在缺点：

  • 效率低，标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象，并且在GC时，需要停止应用程序！
  • 通过标记清除算法整理出的内存，碎片化非常严重！！！

复制算法

复制算法的核心：将原有的内存空间一分为二，每次只使用其中的一块

  1. 将内存分成两部分，每次操作其中的一个
  2. 垃圾回收时，将正在使用的内存区域的存活对象移动到没有哦使用的内存区域。移动完毕后，对这部分内存区域做一次性清除

优点：

  1. 在垃圾对象较多的情况下，效率比较高
  2. 清理后，内存没有碎片

缺点：

  • 内存利用率比较低，同一时刻只能利用其中的一半

标记整理算法

这个算法是在标记清除算法的基础上优化而来，存活对象会向内存一段移动，解决了清理所得内存碎片化的问题

但是其多了一步，对对象移动内存位置的步骤，会影响效率

分代收集算法

这个算法比较复杂，而且很重要

在Java8时，堆被分为了两部分：新生代和老年代

对于新生代，其中被分为了三部分：Eden区+S0区+S1区

对新生代进行GC：Minor GC（也就是 young GC） 对于老年代产生GC：Major GC 而对新生代+老年代产生FullGC时：新生代+老年代被完整垃圾回收，暂停时间较长，需要尽量避免

关于MinorGC、Mixed GC、FullGC 之间的区别
  • Minor GC：发生在新生代的垃圾回收，暂停时间短
  • Mixed GC：新生代+老年代部分区域的垃圾回收，G1收集器特有
  • FullGC：新生代+老年代 完整垃圾回收，暂停时间长，这个应当极力避免！

STW：Stop the World；也及时暂停所有的应用程序线程，等待垃圾回收的完成

JVM中的垃圾回收器

  • 串行垃圾收集器
  • 并行垃圾收集器
  • CMS（并发）垃圾收集器
  • G1垃圾收集器

串行垃圾收集器

Serial 和 Serial Old 串行垃圾收集器，使用单线程进行垃圾回收

  • Serial 作用域新生代，采用复制算法
  • Serial Old 作用于老年代，采用标记-整理算法

垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且Java应用中，所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成

并行垃圾收集器

JDK8默认使用此垃圾回收器

  • Parallel New 作用于新生代，采用复制算法
  • Parallel Old 作用于老年代，采用标记-整理算法

CMS（并发）垃圾收集器

CMS全程：Concurrent Mark Sweep

所使用的，是标记-清除 算法 针对老年代垃圾进行回收，以获取最短回收停顿时间作为目标

最大的特点：在进行垃圾回收时，应用仍然能正常运行

G1垃圾回收器

在JDK9之后使用的是G1

  • 作用于新生代和老年代
  • 划分为多个区域，每个区域都可以充当eden、survivor、old、humongous；其中，humongous针对大对象而准备
  • 采用复制算法
  • 响应时间和吞吐量兼顾
  • 分为三个阶段：新生代回收、并发标记、混合收集
  • 如果并发失败（即回收速度赶不上创建新对象速度），会触发Full GC

G1垃圾回收器的三个阶段

  • Young Collection 年轻代垃圾回收
  • Young Collection + Concurrent Mark 年轻代垃圾回收 + 并发标记
  • Mixed Collection 混合垃圾回收
关于 Young Collection
  • 初始时刻，所有区域都在空闲状态
  • 创建了一部分对象，挑出一些空闲区域，作为伊甸园区（Eden）去存储这些对象
  • 当Eden区需要垃圾回收时，挑出一个空闲区域作为幸存区，用复制算法复制存活对象，需要暂停用户线程
  • 随着时间流逝，伊甸园内存产生不足
  • 此时采用复制算法，将Eden区+之前幸存区的存活对象，复制到新的幸存区。并且，其中较老对象晋升至老年代。
关于 Young Collection + Concurrent Mark （年轻代垃圾回收+并发标记）

当老年代占用内存超过阈值（45%），触发并发标记；注意！此时无需暂停用户线程

  • 并发标记之后，会有重新标记阶段解决漏标问题，这时候需要暂停用户线程
  • 此时，知道了老年代中有哪些存活对象，并进入了混合收集阶段；此时，是根据**暂停时间目标有限回收价值高（存活对象少）**的区域，这也是G1（Garbage First）名称的由来
关于 Mixed Collection (混合垃圾回收)
  • 复制完成，内存得到释放。进入下一轮的新生代回收、并发标记、混合收集
  • H称为巨型对象，如果对象非常大，会开辟一块连续的空间存储巨型对象

各种引用

包括强引用、软引用、弱引用、虚引用

  • 强引用：只有所有的 GC Roots 对象都不通过强引用引用该对象，该对象才能被垃圾回收
  • 软引用：仅有软引用引用该对象后，在垃圾回收后，内存仍不足时，会再次发出垃圾回收
  • 弱引用：仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象

由此，引申到了 ThreadLocal内存泄漏问题

  • 虚引用：（这个好像没什么软用）

JVM 调优

  1. 设置堆的初始大小和最大大小
  2. 设置年轻代中Eden区和两个Survivor区的大小比例
  3. 设置年轻代和老年代的比例
  4. 设定线程堆栈的大小

JVM的调优工具

采用命令jps查看JVM中运行的进程状态信息

采用命令jstack查看Java进程内线程的堆栈等信息

Java内存泄漏的排查思路

  1. 当线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量时，Java虚拟机会抛出一个StackOverFlowError异常
  2. 当Java虚拟机栈可以动态拓展，但是无法申请到足够的内存去完成拓展，或者在建立新线程的时候没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那么Java虚拟机会抛出一个OOM：OutOfMemoryError: java heap space
  3. 如果一次性加载的类太多，元空间内存不足，会报错OutOfMemoryError：MetaSpace