JVM-初见

Posted 2021-08-19 ML李嘉图

目录

• JVM的体系结构
• 类加载器
• 双亲委派机制
• Native
• PC程序计数器
• 方法区（Method Area）
• 栈
• 堆
• 调优工具
• 常见JVM调优参数
• 常见垃圾回收算法
  • 引用计数算法
  • 复制算法
  • 标记-清除算法
  • 标记-压缩算法
• 分代回收策略
• 垃圾收集器
  • 串行收集器（Serial）
  • 并行收集器（ParNew）
  • Parallel Scavenge 收集器
  • Serial Old 收集器
  • Parallel Old 收集器
  • CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep）
  • G1 收集器
  • 为什么要垃圾回收时要设计STW（stop the world）？

推荐：

JVM-超全-图解

JVM-思维导图

JVM的体系结构

简化图：

类加载器

类加载器作用：加载.class文件

类加载流程（三个阶段）：

1.加载阶段

将编译好的class文件加载到内存中（方法区），然后会生成一个代表这个类的Class对象。

2.链接阶段

会为静态变量分配内存并设置默认值。

3.初始化阶段

执行类构造器()进行初始化赋值。

java自带的类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：又名根类加载器或引导类加载器，负责加载%JAVA_HOME%\\bin目录下的所有jar包，或者是-Xbootclasspath参数指定的路径，例：rt.jar
• 拓展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载%JAVA_HOME%\\bin\\ext目录下的所有jar包，或者是java.ext.dirs参数指定的路径
• 系统类加载器（Application ClassLoader）：又名应用类加载器，负责加载用户类路径上所指定的类库，如果应用程序中没有自定义加载器，那么此加载器就为默认加载器

双亲委派机制

类加载器收到加载请求
1.不会自己先去加载，把请求委托给父类加载器，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，最终将到达顶层的启动类加载器
2.如果父类可以完成加载任务，就成功返回
3.如果完不成，子加载器才会尝试自己去加载

优点：避免重复加载 + 避免核心类篡改

Native

程序中使用：private native void start0();

1.凡是带了native关键字的，说明java的作用范围达不到了，回去调用底层c语言的库！

2.会进入本地方法栈，然后去调用本地方法接口将native方法引入执行

本地方法栈（Native Method Stack）

内存区域中专门开辟了一块标记区域: Native Method Stack，负责登记native方法，

在执行引擎( Execution Engine )执行的时候通过本地方法接口（JNI）加载本地方法库中的方法

本地方法接口（JNI）

本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序,

Java在诞生的时候是C/C++横行的时候，想要立足，必须有调用C、C++的程序，

然后在内存区域中专门开辟了一块标记区域: Native Method Stack，负责登记native方法，

在执行引擎( Execution Engine )执行的时候通过本地方法接口（JNI）加载本地方法库中的方法

PC程序计数器

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(用来存储指向像一条指令的地址， 也即将要执行的指令代码)，

在执行引擎读取下一条指令, 是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不计

为什么需要程序计数器？记录要执行的代码位置，防止线程切换重新执行

字节码执行引擎修改程序计数器的值

方法区（Method Area）

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（static）、常量（final）、类信息(构造方法、接口定义)（Class）、运行时的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

栈

栈：先出后进，每个线程都有自己的栈，栈内存主管程序的运行，生命周期和线程同步，线程结束，栈内存也就是释放。

对于栈来说，不存在垃圾回收问题，一旦线程结束，栈就结束。

栈内存中运行：8大基本类型 + 对象引用 + 实例的方法。

栈运行原理：栈桢

栈满了：StackOverflowError

队列：先进先出(FIFO:First Input First Output)

堆

一个JVM只有一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的，

类加载器读取类文件后，一般会把类，方法，常量，变量，我们所有引用类型的真实对象，放入堆中。

堆内存细分为三个区域:

• 新生区(伊甸园区):Young/New
• 养老区old
• 永久区Perm

新生区：类的诞生，成长和死亡的地方

分为：

• 伊甸园区：所有对象都在伊甸园区new出来
• 幸存0区和幸存1区：轻GC之后存下来的

老年区(养老区)：多次轻GC存活下来的对象放在老年区

真理：经过研究，99%的对象都是临时对象

永久区

这个区域常驻内存的，用来存放IDK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VM虚拟就会释放这个区域的内存，一个启动类，加载了大量的第三方jar包。

Tomcat部署了太多的应用，大量动态生成的反射类，不断的被加载，直到内存满，就会出现0OM;

• jdk1.6之前：永久代,常量池是在方法区。
• jdk1.7永久代，但是慢慢的退化了，去永久代， 常量池在堆中
• jdk1.8之后：无永久代，常量池在元空间

注意：

元空间：逻辑上存在，物理上不存在 ，因为：存储在本地磁盘内，不占用虚拟机内存

默认情况下,JVM使用的最大内存为电脑总内存的四分之一,JVM使用的初始化内存为电脑总内存的六十四分之一.

总结：

• 栈：基本类型的变量，对象的引用变量，实例对象的方法
• 堆：存放由new创建的对象和数组
• 方法区：Class对象，static变量，常量池（常量）

调优工具

public class Test2 {
    static String a="111111111111";

    public static void main(String[] args) {
        while (true){
            a=a+ new Random().nextInt(99999999)+new Random().nextInt(99999999);
        }
    }
}

下载地址：https://www.ej-technologies.com/download/jprofiler/version_92

安装完成后，需要在IDEA中安装插件。

添加参数运行程序：

-Xms1m -Xmx1m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：当出现OOM错误，会生成一个dump文件（进程的内存镜像）

在项目目录下找到dump文件，双击打开 ， 可以看到什么占用了大量的内存

常见JVM调优参数

配置参数	功能
-Xms	初始堆大小。如：-Xms256m
-Xmx	最大堆大小。如：-Xmx512m
-Xmn	新生代大小。通常为 Xmx 的 1/3 或 1/4。新生代 = Eden + 2 个 Survivor 空间。实际可用空间为 = Eden + 1 个 Survivor，即 90%
-XX:NewRatio	新生代与老年代的比例，如 –XX:NewRatio=2，则新生代占整个堆空间的1/3，老年代占2/3
-XX:SurvivorRatio	新生代中 Eden 与 Survivor 的比值。默认值为 8。即 Eden 占新生代空间的 8/10，另外两个 Survivor 各占 1/10
-XX:+PrintGCDetails	打印 GC 信息
XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError	让虚拟机在发生内存溢出时 Dump 出当前的内存堆转储快照，以便分析用

常见垃圾回收算法

引用计数算法

原理是此对象有一个引用，即增加一个计数，删除一个引用则减少一个计数。

垃圾回收时，只用收集计数为 0 的对象。此算法最致命的是无法处理循环引用的问题。

复制算法

此算法把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。

垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用中的对象复制到另外一个区域中。

此算法每次只处理正在使用中的对象，因此复制成本比较小，同时复制过去以后还能进行相应的内存整理。

优点：不会出现碎片化问题

缺点：需要两倍内存空间，浪费

标记-清除算法

此算法执行分两阶段。

第一阶段从引用根节点开始标记可回收对象，

第二阶段遍历整个堆，把未标记的对象清除。

优点：不会浪费内存空间

缺点：此算法需要暂停整个应用，同时，会产生内存碎片

标记-压缩算法

此算法结合了 " 标记-清除 ” 和 “ 复制 ” 两个算法的优点。

也是分两阶段，

第一阶段从根节点开始标记所有可回收对象，

第二阶段遍历整个堆，清除未标记对象并且把存活对象“压缩”到堆的其中一块，按顺序排放。

此算法避免了“标记-清除”的碎片问题，同时也避免了“复制”算法的空间问题。

分代回收策略

1.绝大多数刚刚被创建的对象会存放在Eden区

2.当Eden区第一次满的时候，会触发MinorGC（轻GC）。首先将Eden区的垃圾对象回收清除，并将存活的对象复制到S0，此时S1是空的。

3.下一次Eden区满时，再执行一次垃圾回收，此次会将Eden和S0区中所有垃圾对象清除，并将存活对象复制到S1，此时S0变为空。

4.如此反复在S0和S1之间切换几次（默认15次）之后，还存活的对象将他们转移到老年代中。

5.当老年代满了时会触发FullGC（全GC）

MinorGC

• 使用的算法是复制算法
• 年轻代堆空间紧张时会被触发
• 相对于全收集而言，收集间隔较短

FullGC

• 使用的算法一般是标记压缩算法
• 当老年代堆空间满了，会触发全收集操作
• 可以使用 System.gc()方法来显式的启动全收集
• 全收集非常耗时

垃圾收集器

垃圾回收器的常规匹配：

串行收集器（Serial）

Serial 收集器是 Hotspot 运行在 Client 模式下的默认新生代收集器, 它的特点是：单线程收集，但它却简单而高效

并行收集器（ParNew）

ParNew 收集器其实是前面 Serial 的多线程版本

Parallel Scavenge 收集器

与 ParNew 类似，Parallel Scavenge 也是使用复制算法，也是并行多线程收集器。

但与其他收集器关注尽可能缩短垃圾收集时间不同，Parallel Scavenge 更关注系统吞吐量，

系统吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)

Serial Old 收集器

Serial Old 是 Serial 收集器的老年代版本, 同样是单线程收集器,使用 “ 标记-整理 ” 算法

Parallel Old 收集器

Parallel Old 是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本, 使用多线程和 “ 标记－整理 ” 算
法，吞吐量优先

CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep）

CMS是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器(CMS又称多并发低暂停的收集器)，

基于 ” 标记-清除 ” 算法实现, 整个 GC 过程分为以下 4 个步骤:

初始标记(CMS initial mark)

并发标记(CMS concurrent mark: GC Roots Tracing 过程)

重新标记(CMS remark)

并发清除(CMS concurrent sweep: 已死对象将会就地释放, 注意:此处没有压缩)

G1 收集器

G1将堆内存 “ 化整为零 ” ，将堆内存划分成多个大小相等独立区域（Region），

每一个Region都可以根据需要，扮演新生代的Eden空间、Survivor空间，或者老年代空间。

收集器能够对扮演不同角色的Region采用不同的策略去处理，这样无论是新创建的对象还是已经存活了一段时间、熬过多次收集的旧对象都能获取很好的收集效果。

为什么要垃圾回收时要设计STW（stop the world）？

如果不设计STW，可能在垃圾回收时用户线程就执行完了，堆中的对象都失去了引用，全部变成了垃圾，索性就

设计了STW，快速做完垃圾回收，再恢复用户线程运行。