JVM总结

Posted 2023-02-17 ohana！

目录

一，Java虚拟机 

1.概念

2.作用

3.运行流程

二，运行时数据区域

理解线程私有

1.Java虚拟机栈（线程私有）

作用

栈帧的组成

2.本地方法栈（线程私有）

3.程序计数器（线程私有）

作用

4.堆区（线程共享）

作用

5.方法区（线程共享）

作用

三，内存布局的异常问题

1.内存溢出

概念

原因/什么情况下会导致

结果

解决方法

2.内存泄漏

概念

原因/什么情况下会导致

结果

解决方法

3.栈溢出

概念

原因

解决方法

四，JVM类加载

1.类加载时机

2.类加载过程

3.双亲委派机制

概念

作用

类型 

优缺点 

破坏双亲委派机制 

五，垃圾回收

1.死亡对象的算法

1）引用计数法

2）可达性分析

2.垃圾回收算法

1）标记-清除算法

2）复制算法

3）标记-整理算法

4）分代算法

3.垃圾收集器

1）ParNew + Parallel Scavenge 新生代收集器，使用复制算法

2）Parallel Old 老年代收集器：标记整理算法

3）CMS 老年代收集器

六，JMM(内存模型)

内存模型的作用

1.主内存与工作内存

2.内存间的交互操作

操作

happen —before原则

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一，Java虚拟机 

1.概念

从硬件层面理解

• 虚拟机是一种抽象化的计算机，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
• Java虚拟机有自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统
• JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行

从进程的角度理解

• 启动一个Java进程
• 会创建一个Java虚拟机
• 并加载class字节码文件
• 运行时翻译机器码，让cpu执行

2.作用

• Java中的所有类，必须被装载到JVM中才能运行，这个装载工作是由jvm中的类装载器完成的，类装载器所做的工作实质是把类文件从硬盘读取到内存中
• JVM就是我们常说的java虚拟机，它是整个java实现跨平台的最核心的部分，所有的java程序会首先被编译为.class的类文件，这种类文件可以在虚拟机上执行（也就是说class并不直接与机器的操作系统相对应，而是经过虚拟机间接与操作系统交互，由虚拟机将程序解释给本地系统执行）

3.运行流程

二，运行时数据区域

理解线程私有

由于JVM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，因此在任何一个确定的时刻，一个处理器(多核处理器则指的是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此为了切换线程后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。我们就把类似这类区域称之为"线程私有"的内存

1.Java虚拟机栈（线程私有）

作用

• Java 虚拟机栈的生命周期和线程相同，Java 虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型
• 每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息
• 常说的堆内存、栈内存中，栈内存指的就是虚拟机栈

栈帧的组成

1. 局部变量表： 存放了编译器可知的各种基本数据类型(8大基本数据类型)、对象引用。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，在执行期间不会改变局部变量表大小。简单来说就是存放方法参数和局部变量
2. 操作数栈：每个方法会生成一个先进后出的操作栈
3. 动态链接：指向运行时常量池的方法引用
4. 方法返回地址：PC 寄存器的地址

2.本地方法栈（线程私有）

本地方法栈和虚拟机栈类似，只不过 Java 虚拟机栈是给 JVM 使用的，而本地方法栈是给本地方法使用的

3.程序计数器（线程私有）

作用

用来记录当前线程执行的行号的

• 程序计数器是一块比较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
• 如果当前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；
• 如果正在执行的是一个Native方法，这个计数器值为空。
• 程序计数器内存区域是唯一一个在JVM规范中没有规定任何OOM情况的区域！

4.堆区（线程共享）

作用

程序创建的所有对象都在堆中保存

• 堆里面分为两个区域：新生代和老生代，新生代放新建的对象，当经过一定 GC 次数之后还存活的对象会放入老生代。新生代还有 3 个区域：一个 Endn + 两个 Survivor（S0/S1）

5.方法区（线程共享）

作用

用来存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据的

• jdk1.7时，方法区是在Java进程的内存中
• jdk1.8时，是叫元空间，属于本地内存（不在Java进程中）

三，内存布局的异常问题

1.内存溢出

概念

某个运行时数据区域，如果创建的数据，内存不足，就会造成OOM（内存溢出）

原因/什么情况下会导致

1. 内存中加载的数据量过于庞大，如一次从数据库取出过多数据
2. 集合类中有对对象的引用，使用完后未清空，使得JVM不能回收
3. 代码中存在死循环或循环产生过多重复的对象实体
4. 使用的第三方软件中的BUG
5. 启动参数内存值设定的过小

结果

会导致程序异常

解决方法

• 优化空间利用率
• 加大堆的内存

2.内存泄漏

概念

没有用的数据，一直占用内存，无法被gc

原因/什么情况下会导致

1. io资源未关闭，多个用户都未关闭时，就会造成内存泄漏
2. 单例模式造成的内存泄露

结果

• 内存泄漏太多，就会造成内存溢出
• 常发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码会被多次执行到，每次被执行的时候都会导致一块内存泄漏
• 偶发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只有在某些特定环境或操作过程下才会发生。常发性和偶发性是相对的。对于特定的环境，偶发性的也许就变成了常发性的
• 一次性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只会被执行一次，或者由于算法上的缺陷，导致总会有一块仅且一块内存发生泄漏。比如，在类的构造函数中分配内存，在析构函数中却没有释放该内存，所以内存泄漏只会发生一次
• 隐式内存泄漏。程序在运行过程中不停的分配内存，但是直到结束的时候才释放内存。严格的说这里并没有发生内存泄漏，因为最终程序释放了所有申请的内存。但是对于一个服务器程序，需要运行几天，几周甚至几个月，不及时释放内存也可能导致最终耗尽系统的所有内存。所以，我们称这类内存泄漏为隐式内存泄漏

解决方法

1. 从程序本身入手，定时清理不使用的数据
2. 使用软引用或是弱引用
3. 加大内存
4. 定时重启程序

3.栈溢出

概念

栈一般默认为1-2m，一旦出现死循环或者是大量的递归调用，在不断的压栈过程中，造成栈容量超过1m而导致溢出

原因

对于一台服务器而言，每一个用户请求，都会产生一个线程来处理这个请求，每一个线程对应着一个栈，栈会分配内存，此时如果请求过多，这时候内存不够了，就会发生栈内存溢出

解决方法

• 用栈把递归转换成非递归
• 使用静态对象替代非静态局部对象
• 增大堆栈大小值

四，JVM类加载

1.类加载时机

1）Java 类名 ：Java程序的的入口类，需要先执行类加载，在执行main()

2）运行时，执行静态方法调用，静态变量操作等

3）new 对象的时候

4）通过反射创建一个类对象，然后就可以再通过反射，生成实例对象，或调用静态方法

2.类加载过程

加载：加载class字节码（二进制数据）到方法区，在堆中，生成一个Class类对象

验证：验证class字节码数据，是否安全，以及是否符合Java虚拟机规范

准备：静态变量设置为初始值（对象初始值就是null，基础数据类型，就是对应的初始值）常量               （final修饰的）会设置为真实的值

解析：将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，也就是初始化常量的过程

初始化：静态变量真正的初始化赋值，静态代码块初始化

3.双亲委派机制

概念

不直接执行当前类加载器，而是先要查找当前类加载器的父类加载器，父类加载器也是类似的，先找父类，直到找到最顶层的类加载器，开始执行类加载，（找到class类就进行，找不到就交给下一级类加载器）

作用

• 除了顶层的启动类加载器，其他的类加载器在加载之前，都会委派给它的父加载器进行加载，一层层向上传递，直到所有父类加载器都无法加载，自己才会加载该类。
• 双亲委派模型，更好地解决了各个类加载器协作时基础类的一致性问题，避免类的重复加载；防止核心API库被随意篡改

类型 

• 启动类加载器（Bootstrp ClassLoader），加载 /lib/rt.jar、-Xbootclasspath

• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，加载 /lib/ext、java.ext.dirs

• 应用程序类加载器（Application ClassLoader，sun.misc.Launcher$AppClassLoader），加载 CLASSPTH、-classpath、-cp、Manifest

• 自定义类加载器

优缺点 

好处：

确保安全，如Object，String类等，都是使用jdk提供的类，而不是使用自己定义的java.lang.Object

缺点：

保证了安全，但扩展性就没那么好了（灵活性降低）

破坏双亲委派机制 

• JNDI 通过引入线程上下文类加载器，可以在 Thread.setContextClassLoader 方法设置，默认是应用程序类加载器，来加载 SPI 的代码。有了线程上下文类加载器，就可以完成父类加载器请求子类加载器完成类加载的行为。打破的原因，是为了 JNDI 服务的类加载器是启动器类加载，为了完成高级类加载器请求子类加载器（即上文中的线程上下文加载器）加载类。

• Tomcat，应用的类加载器优先自行加载应用目录下的 class，并不是先委派给父加载器，加载不了才委派给父加载器。打破的目的是为了完成应用间的类隔离。

• OSGi，实现模块化热部署，为每个模块都自定义了类加载器，需要更换模块时，模块与类加载器一起更换。其类加载的过程中，有平级的类加载器加载行为。打破的原因是为了实现模块热替换。

五，垃圾回收

1.死亡对象的算法

1）引用计数法

概念

每当堆中多一个引用时，计数器+1，少一个，计数器-1

缺陷

无法解决循环引用问题

2）可达性分析

核心思想

• 通过一系列称为"GC Roots"的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称之为"引用链"，当一个对象到GC Roots没有任何的引用链相连时(从GC Roots到这个对象不可达)时，证明此对象是不可用的
• 对象Object5-Object7之间虽然彼此还有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，因此他们会被判定为可回收对象

2.垃圾回收算法

1）标记-清除算法

概念

分为“标记”和“清除”两个阶段

标记：标记需要gc的对象

清楚：使用gc，将标记好的对象回收

缺陷

（1）效率低

（2）内存碎片：存放对象时，即使可用空间足够，但连续空间不足，也会触发另一次的gc

2）复制算法

概念

把用的内存划分为两块一样大小的空间，每次只使用其中一块，把存活的对象复制到另一块空间，然后把之前使用的空间清空

优点：清空半区的效率高，不会出现内存碎片

缺点：内存利用率低（不会超过50%）

3）标记-整理算法

类似于标记清楚算法，采取的方案是将存活的对象，移动到连续的空间，再清空剩余的空间

优点：不会出现内存碎片的问题

4）分代算法

在堆中，根据对象创建及回收的特性，分为了两块区域：

（1）新生代

Eden（E区），2个Survivor（S区）

原因：对象朝生夕死，很快的创建的，由很快的变为不可用的垃圾

采取的算法：复制算法

过程：如果出现S区不够的情况，老年代担保，可将数据存放到老年代

1. 当Eden区满的时候,会触发第一次Minor gc,把还活着的对象拷贝到Survivor From区；当Eden区再次触发Minor gc的时候,会扫描Eden区和From区域,对两个区域进行垃圾回收,经过这次回收后还存活的对象,则直接复制到To区域,并将Eden和From区域清空。
2. 当后续Eden又发生Minor gc的时候,会对Eden和To区域进行垃圾回收,存活的对象复制到From区域,并将Eden和To区域清空。
3. 部分对象会在From和To区域中来回复制,如此交换15次(由JVM参数MaxTenuringThreshold决定,这个参数默认是15),最终如果还是存活,就存入到老年代

（2）老年代

对象可能长期存活

采取的算法：标记清除算法，标记整理算法

（3）新生代GC vs 老年代GC

3.垃圾收集器

从Java应用程序来说：大略上，可以分为2种类型

（1）用户体验优先（实时性要求比较高）：用户要使用的程序，系统每次STW的时间最少，总的           STW的时间可能变多   ——ParNew（新生代）+CMS（老年代） G1

（2）吞吐量优先（批处理任务）：用户不使用的，之执行任务的，总的STW时间最少

          ——Parallel Scavenge （新生代）+ Parallel Old （老年代）

1）ParNew + Parallel Scavenge 新生代收集器，使用复制算法

2）Parallel Old 老年代收集器：标记整理算法

3）CMS 老年代收集器

特性：用户体验优先（并发收集，低停顿）

采取”标记清除“算法

缺陷

•  cpu比较敏感：gc线程需要cpu资源，相对就需要更多的cpu资源
• 无法处理浮动垃圾
• 内存碎片问题

4）G1 全堆收集器

用户体验优先

内存划分：把堆划分为相等的很多个区域，每个区域根据需要设置为E，S，T（老年代）

算法：整体上看基于”标记整理算法“，局部上看基于”复制算法“ 

六，JMM(内存模型)

内存模型的作用

不同硬件及操作系统，对内存的访问操作也不同，Java采取统一的Java内存模型来屏蔽以上的差异

1.主内存与工作内存

主内存：线程共享的，Java进程的内存

工作内存：线程私有的，cpu执行线程指令时，使用寄存器来保存上下文

2.内存间的交互操作

操作

1. lock(锁定) : 作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态
2. unlock(解锁) : 作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
3. read(读取) : 作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
4. load(载入) : 作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
5. use(使用) : 作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎。
6. assign(赋值) : 作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量。
7. store(存储) : 作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write操作使用。
8. write(写入) : 作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

happen —before原则

如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序

• 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
• 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
• volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
• 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
• 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
• 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始