java：JVM及相关概念

Posted 2021-03-15 我想和这个世界谈谈,

1、概述

我们实际的开发中，先利用JDK（调用本地的API）开发属于自己的JAVA程序后，通过JDK中的编译程序（javac）将我们的文本java文件编译成JAVA字节码，在JRE上运行这些JAVA字节码，JVM解释这些字节码，映射到CPU指令集或OS的系统调用。所以在讲JVM之前，我们先来讲一下容易和JVM搞混的两个概念JDK和JRE。简单粗暴的理解就是：JDK包含JRE，JRE包含JVM

JVM：Java虚拟机，它只认识xxx.class这种类型的文件，它能够将class文件中的字节指令进行识别，并调用操作系统上API完成动作。所以说，jvm是Java能够跨平台的核心。

JRE：Java运行时环境，jre包括jvm和java核心类库与支持文件。

JDK：Java开发工具包，jdk是整个java开发的核心，包括了java运行环境（jre）、一堆java工具（javac、java、jdb等）和java基础类库（即Java API包括rt.jar）。

2、JVM基本概念

2.1 什么是JVM

jvm中文名称叫做Java虚拟机，它是由软件技术模拟出来计算机运行的一个虚拟的计算机。

jvm也充当这个一个翻译官的角色，我们编写出java程序后，是不能直接被操作系统所识别的，这时候jvm的作用就体现出来了，它负责把我们的程序翻译给操作系统听，告诉它我们的系统需要做什么操作。

我们都知道Java的程序需要经过编译后，产生.Class文件，JVM才能识别并运行它，JVM针对每个操作系统开发其对应的解释器，所以只要其操作系统有对应版本的JVM，那么这份Java编译后的代码就能够运行起来，这就是Java能一次编译，到处运行的原因。

2.2、JVM基本原理介绍

jvm体系总体分四大块：

• 类的加载机制
• jvm内存结构
• GC算法 垃圾回收
• GC分析 命令调优

 3、JVM运行时数据区

 

 运行的程序是内容是放在运行时数据区中的，如上图蓝色那块依次来说明一下：

3.1 堆

保存所有引用类型的真是信息（线程共享），也是说那些new出来的对象都是放在这块区域的。

3.2 虚拟机栈

虚拟机栈：线程私有，生命周期和线程一致。主要用来存储方法运行过程中一些临时变量，是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行时都会床创建一个栈帧(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。每一个方法从调用直至执行结束，就对应着一个栈帧从虚拟机栈中入栈到出栈的过程。当一个方法运行到一半需要调用另一个方法时，就创建一个新的栈帧表示新调用的方法，将原来那个方法压入栈中。当方法运行完毕，栈帧出栈，原来方法处于栈顶接着运行。和栈这一数据结构一样，虚拟机栈里面的栈帧遵循后进先出的原则。

局部变量表：存放了编译期可知的各种基本类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference 类型)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址) 

3.3 方法区

又叫静态区，跟堆一样，被所有的线程共享。在jdk7之前被称为永久带，在jdk8之后改为了元数据空间。它主要是存储一些static方法或者变量，类加载器classLoader等一些全局的数据。同时方法区里面还有一个叫常量池的地方，String的字符串等常量存储就存储在那边。

3.4 程序计数器

一个非常小的内存空间，用来保存程序执行到的位置（线程私有）。下面是一个程序计数器的演示：

public class TestDemo{
    public static void main(String args[]){
        String str = null;
        str.length();
    }
}

上面程序会报空指针异常，如下图，在报的这个异常中，有一行日志 at TestDemo,main(TestDemo.java:4) 代表程序运行到TestDemo 中main()函数第四行的时候发生的错误，就是通过程序计数器来记录这个程序运行的位置的。

 3.5 本地方法栈

和虚拟机栈类似，不过本地方法栈里面运行的方法不是用java写的，一般是用c或c++写的为虚拟机使用到Native方法服务，也有类似栈帧的的概念。

 用一张图描绘每个区域存储的内容

4、内存模型和垃圾回收

正式阅读之前需要了解相关概念：Java 堆内存分为新生代和老年代，新生代中又分为1个 Eden 区域 和 2个 Survivor 区域。

 4.1 概述

jvm 中，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是随线程而生随线程而灭，栈帧随着方法的进入和退出做入栈和出栈操作，实现了自动的内存清理，因此，我们的内存垃圾回收主要集中于 java 堆和方法区中，在程序运行期间，这部分内存的分配和使用都是动态的。

 4.2 GC的对象

需要进行回收的对象就是已经没有存活的对象，判断一个对象是否存活有两种方法：引用计数和可达性分析

引用计数：每一个对象都有一个引用计数属性，新增一个引用时计数增加1，释放引用时计数减1。计数为0时可以回收。此方法简单，但无法解决对象互相引用的问题。

 从上图中可以看出，如果不小心把Obj1-reference 和 Obj2-reference置null。则在java堆中的两块内存依然保持互相引用无法回收。

可达性分析： 从GC Root开始向下搜索，搜索所走过的路径称之为引用链。当一个对象到GC Root没有任何引用链相连时，则证明此对象不可用，不可达对象。

 

 可作为 GC Roots 的对象：

• 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中 JNI(即一般说的 Native 方法) 引用的对象

4.3 什么时候触发GC

1.程序调用System.gc时可触发

2.系统自身决定触发GC的时机（根据Eden和From Space区的内存大小来决定。当内存大小不足时，则会启动GC线程并停止应用线程）

GC又分为Minor gc和Full gc

Minor gc：当Eden区满是触发，Minor gc

Full gc：

　　a.调用System.gc时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行

　　b.老年代空间不足

　　c.方法区空间不足

　　d.通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存

　　e.由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

GC主要做了清理对象，整理内存的工作。Java堆分为新生代和老年代，采用了不同的回收方式。（回收方式即回收算法详见后文）

4.3.1 回收方法区：

在堆中，尤其是在年轻代中，一次垃圾回收一般可以回收 70% ~ 95% 的空间，而永久代的垃圾收集效率远低于此。永久代垃圾回收主要两部分内容：废弃的常量和无用的类。

判断废弃常量：一般是判断没有该常量的引用。

判断无用的类：要以下三个条件都满足

• 该类所有的实例都已经回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例
• 加载该类的 ClassLoader 已经被回收
• 该类对应的 java.lang.Class 对象没有任何地方呗引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法

4.4 GC算法

GC常用算法有：标记-清除算法，标记-压缩算法，复制算法，分代收集算法。

 目前主流的JVM（HotSpot）采用的是分代收集算法。

分代收集算法

现在的虚拟机垃圾收集大多采用这种方式，它根据对象的生存周期，将堆分为新生代(Young)和老年代(Tenure)。在新生代中，由于对象生存期短，每次回收都会有大量对象死去，那么这时就采用复制算法。老年代里的对象存活率较高，没有额外的空间进行分配担保，所以可以使用标记-整理 或者 标记-清除。
具体过程：新生代(Young)分为Eden区，From区与To区

 当系统创建一个对象的时候，总是在Eden区操作，当这个区满了，那么就会触发一次YoungGC，也就是年轻代的垃圾回收。一般来说这时候不是所有的对象都没用了，所以就会把还能用的对象复制到From区。 

 这样整个Eden区就被清理干净了，可以继续创建新的对象，当Eden区再次被用完，就再触发一次YoungGC，然后呢，注意，这个时候跟刚才稍稍有点区别。这次触发YoungGC后，会将Eden区与From区还在被使用的对象复制到To区， 

 

 再下一次YoungGC的时候，则是将Eden区与To区中的还在被使用的对象复制到From区。

经过若干次YoungGC后，有些对象在From与To之间来回游荡，这时候From区与To区亮出了底线（阈值），这些家伙要是到现在还没挂掉，对不起，一起滚到（复制）老年代吧。 

 

 

 

 老年代经过这么几次折腾，也就扛不住了（空间被用完），好，那就来次集体大扫除（Full GC），也就是全量回收。如果Full GC使用太频繁的话，无疑会对系统性能产生很大的影响。所以要合理设置年轻代与老年代的大小，尽量减少Full GC的操作。

 

参考：

https://blog.csdn.net/csdn_aiyang/article/details/72876272

https://blog.csdn.net/laomo_bible/article/details/83112622

https://blog.csdn.net/qq_41701956/article/details/81664921