《深入理解 JVM 3ed》读书笔记

Posted 2021-11-02 zhisheng_blog

前言

刷豆瓣看到《深入理解 JVM》出第三版了，遂买之更新 JVM 知识，本文为笔记，仅供个人 Review

ch02. Java 内存区域与内存溢出

2.1 运行时数据区域

参考：JVM 规范，Memories of a Java Runtime

堆：JVM 启动时按-Xmx, -Xms大小创建的内存区域，用于分配对象、数组所需内存，由 GC 管理和回收

方法区：存储被 JVM 加载的类信息（字段、成员方法的字节码指令等）、运行时常量池（字面量、符号引用等）、JIT 编译后的 Code Cache 等信息；JDK8 前 Hotspot 将方法区存储于永久代堆内存，之后参考 JRockit 废弃了永久代，存储于本地内存的 Metaspace 区

直接内存：JDK1.4 引入 NIO 使用 Native/Unsafe 库直接分配系统内存，使用 Buffer,Channel 与其交互，避免在系统内存与 JVM 堆内存之间拷贝的开销

线程私有内存

• 程序计数器：记录当前线程待执行的下一条指令位置，上下文切换后恢复执行，由字节码解释器负责更新

• JVM 栈

  • 描述 Java 方法执行的内存模型：执行新方法时创建栈帧，存储局部变量表、操作数栈等信息

  • 存储单位：变量槽 slot，long, double占 2 个 slot，其他基本数据类型、引用类型占 1 个，故表的总长度在编译期可知

• 本地方法栈：执行本地 C/C++ 方法

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2.2 JVM 对象

1. 创建对象

分配堆内存：类加载完毕后，其对象所需内存大小是确定的；堆内存由多线程共享，若并发创建对象都通过 CAS 乐观锁争夺内存，则效率低。故线程创建时在堆内存为其分配私有的分配缓冲区（TLAB：Thread Local Allocation Buffer）

• 内存模型

  

• 分配流程

  

  注：当 TLAB 剩余空间不足以分配新对象，但又小于最大浪费空间阈值时，才会加锁创建新的 TLAB

零值初始化对象的堆内存、设置对象头信息、执行构造函数 <init>()V

2. 对象的内存布局

对象头

• Mark Word：记录对象的运行时信息，如 hashCode，GC 分代年龄，尾部 2 bit 用于标记锁状态

  

• Class Pointer：指向所属的类信息

• 数组长度（可选，对象为数组）：4 字节存储其长度

对象数据：各种字段的值，按宽度分类紧邻存储

对齐填充：内存对齐为 1 个字长整数倍，减少 CPU 总线周期

验证：openjdk/jol 检查对象内存布局

public class User { private int age = -1; private String name = "unknown"; } // java -jar ~/Downloads/jol-cli-latest.jar internals -cp . com.jol.User OFF SZ TYPE DESCRIPTION VALUE 0 8 (object header: mark) 0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0) 8 4 (object header: class) 0xf8021e85 // User.class 引用地址 12 4 int User.age -1 // 基本类型则直接存储值 16 4 java.lang.String User.name (object) // 引用类型，指向运行时常量池中的 String 对象 20 4 (object alignment gap) // 有 4 字节的内存填充 Instance size: 24 bytes

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2.3 内存溢出

堆内存：-Xms指定堆初始大小，当大量无法被回收的对象所占内存超出-Xmx上限时，将发生内存溢出 OutOfMemoryError

• 排查：通过 Eclipse MAT 分析 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemory生成的 *.hprof 堆转储文件，定位无法被回收的大对象，找出其 GC Root 引用路径

• 解决：若为内存泄露，则修改代码用null显式赋值、虚引用等方式及时回收大对象；若为内存溢出，大对象都是必须存活的，则调大-Xmx、减少大对象的生命周期、检查数据结构使用是否合理等

  // -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError public class HeapOOM { static class OOMObject {} public static void main(String[] args) { List<OOMObject> vs = new ArrayList<>(); while (true) vs.add(new OOMObject()); } }

  分析 GC Root 发现com.ch02.HeapOOM对象间接引用了大量的OOMObject对象，共占用 15.4MB 堆内存，无法回收最终导致 OOM

  

栈内存：-Xss指定栈大小，当栈深度超阈值（比如未触发终止条件的递归调用）、本地方法变量表过大等，都可能导致内存溢出 StackOverflowError

方法区：-XX:MetaspaceSize指定元空间初始大小，-XX:MaxMetaspaceSize指定最大大小，默认 -1 无限制，若在运行时动态生成大量的类，则可能触发 OOM

运行时常量池：strObj.intern()动态地将首次出现的字符串对象放入字符串常量池并返回，JDK7 前会拷贝到永久代，之后则直接引用堆对象

String s1 = "java"; // 类加载时，从字节码常量池中拷贝符号到了运行时常量池，在解析阶段初始化的字符串对象 String s2 = "j"; String s3 = s2 + "ava"; // 堆上动态分配的字符串对象 println(s3 == s1); // false println(s3.intern() == s1); // true // 已在字符串常量池中存在

直接内存：-XX:MaxDirectMemorySize指定大小，默认与-Xmx一样大，不被 GC 管理，申请内存超阈值时 OOM

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ch03. 垃圾回收与内存分配

GC 可分解为 3 个子问题：which（哪些内存可被回收）、when（什么时候回收）、how（如何回收）

3.1 GC 条件

1. 引用计数算法（reference counting）

原理：每个对象都维护一个引用计数器rc，当通过赋值、传参等方式引用它时rc++，当引用变量修改指向、离开函数作用域等方式解除引用时rc--，递减到 0 时说明对象无法再被使用，可回收。伪代码：

assign(var, obj): incr_ref(obj) # self = self # 先增再减，避免引用自身导致内存提前释放 decr_ref(var) var = obj incr(obj): obj.rc++ decr(obj): obj.rc-- if obj.rc == 0: remove_ref(obj) # 断开 obj 与其他对象的引用关系 gc(obj) # 回收 obj 内存

优点：思路简单，对象无用即回收，延迟低，适合内存少的场景

缺点：此算法中对象是孤立的，无法在全局视角检查对象的真实有效性，循环引用的双方对象需引入外部机制来检测和回收，如下图红色圈（图源：what-is-garbage-collection）

2. 可达性分析算法（reachability analysis）

原理：从肯定不会被回收的对象（GC Roots）出发，向外搜索全局对象图，不可达的对象即无法再被使用，可回收；常见可作为 GC Root 的对象有：

• 执行上下文：JVM 栈中参数、局部变量、临时变量等引用的堆对象

• 全局引用：方法区中类的静态引用、常量引用（如 StringTable 中的字符串对象）所指向的对象

优点：无需对象维护 GC 元信息，开销小；单次扫描即可批量识别、回收对象，吞吐高

缺点：多线程环境下对象间的引用关系随时在变化，为保证 GC Root 标记的准确性，需在不变化的 snapshot 中进行，会产生 Stop The World（以下简称 STW） 卡顿现象

3. 四种引用类型

引用类型	类	回收时机
强引用	-	只要与 GC Root 存在引用链，则不被回收
软引用	SoftReference	只被软引用所引用的对象，当 GC 后内存依然不足，才被回收
弱引用	WeakReference	只被弱引用所引用的对象，无论内存是否足够，都将被回收
虚引用	PhantomReference	被引用的对象无感知，进行正常 GC，仅在回收时通知虚引用（回调）

示例：限制堆內存 50MB，其中新生代 30MB，老年代 20MB；依次分配 5 次 10MB 的byte[]对象，仅使用软引用来引用，观察 GC 过程

public static void main(String[] args) { // softRefList --> SoftReference --> 10MB byte[] List<SoftReference<byte[]>> softRefList = new ArrayList<>(); ReferenceQueue<byte[]> softRefQueue = new ReferenceQueue<>(); // 无效引用队列 for (int i = 0; i < 5; i++) { SoftReference<byte[]> softRef = new SoftReference<>(new byte[10*1024*1024], softRefQueue); softRefList.add(softRef); for (SoftReference<byte[]> ref : softRefList) // dump 所有软引用指向的对象，检查是否已被回收 System.out.print(ref.get() == null ? "gced " : "ok "); System.out.println(); } Reference<? extends byte[]> ref = softRefQueue.poll(); while (ref != null) { softRefList.remove(ref); // 解除对软引用对象本身的引用 ref = softRefQueue.poll(); } System.out.println("effective soft ref: " + softRefList.size()); // 2 } // java -verbose:gc -XX:NewSize=30m -Xms50m -Xmx50m -XX:+PrintGCDetails com.ch02.DemoRef ok ok ok // 分配第三个 []byte 时，Eden GC 无效，触发 Full GC 将一个 []byte 晋升到老年区 // 此时三个 byte[] 都只被软引用所引用，被标记为待二次回收（若为弱引用，此时 Eden 已被回收） [GC (Allocation Failure) --[PSYoungGen: 21893K->21893K(27136K)] 21893K->32141K(47616K), 0.0046324 secs] [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 21893K->10527K(27136K)] [ParOldGen: 10248K->10240K(20480K)] 32141K->20767K(47616K), [Metaspace: 2784K->2784K(1056768K)], 0.004 secs] ok ok ok // 再次 GC，前三个 byte[] 全部被回收 [GC (Allocation Failure) --[PSYoungGen: 20767K->20767K(27136K)] 31007K->31007K(47616K), 0.0007963 secs] [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 20767K->20759K(27136K)] [ParOldGen: 10240K->10240K(20480K)] 31007K->30999K(47616K), [Metaspace: 2784K->2784K(1056768K)], 0.003 secs] [GC (Allocation Failure) --[PSYoungGen: 20759K->20759K(27136K)] 30999K->30999K(47616K), 0.0007111 secs] [Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 20759K->0K(27136K)] [ParOldGen: 10240K->267K(20480K)] 30999K->267K(47616K), [Metaspace: 2784K->2784K(1056768K)], 0.003 secs] gced gced gced ok gced gced gced ok ok

4. finalize

原理：若对象不可达，被标记为可回收后，会进行finalize()是否被重写、是否已执行过等条件筛选，若通过则对象会被放入 F-Queue 队列，等待低优先级的后台 Finalizer 线程触发其finallize() 的执行（不保证执行结束），对象可在finalize中建立与 GC Root 对象图上任一节点的引用关系，来逃脱 GC

使用：finalize 机制与 C++ 中的析构函数并不等价，其执行结果并不确定，不推荐使用，可用try-finally替代

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3.2 GC 算法

分代收集理论

两个分代假说：符合大多数程序运行的实际情况

• 弱分代假说：绝大多数对象是朝生夕灭，生存时间极短

• 强分代假说：熬过越多次 GC 的对象，越可能被继续使用，越难以回收

对应地，JVM 堆被划分为 2 个不同区域，将对象按年龄分类，兼顾了 GC 耗时与内存利用率

• 新生代：大量对象将被回收，只关注仍存活的对象，逐步晋升

• 老年代：大量对象不被回收，只关注要被回收的对象

跨代引用

• 问题：老年代会引用新生代，新生代 GC 时需遍历老年代中大量的存活对象，分析可达性，时间复杂度高

• 背景：相互引用的对象倾向于同时存亡，比如跨代引用关系中的新生代必然会逐步晋升，最终消除跨代关系

• 假说：跨代引用相比同代引用只占极少数，无需全量扫描老年代

• 实现：新生代维护全局数据结构：记忆集（Remembered Set），将老年代分为多个子块，标记存在跨代引用的子块，等待后续扫描；代价：为保证记忆集的正确性，需在跨代引用建立或断开时保持同步

1. 标记清除：Mark-Sweep

• 原理：标记不可达对象，统一清理回收，反之亦可

• 缺点：执行效率不稳定，回收耗时取决于活跃对象的数量；内存碎片多，会出现内存充足但无法分配过大的连续内存（数组）

2. 标记复制：Mark-Copy

• 理论：将堆内存切为两等份 A, B，每次仅使用 A，用完后标记存活对象复制到 B，清空 A 后执行 swap

• 优点：直接针对半区回收，无内存碎片问题；分配内存只需移动堆顶指针，高效顺序分配

• 缺点：当 A 区有大量存活对象时，复制开销大；B 区长时间闲置，内存浪费严重

• 实践：对于存活对象少的新生代，无需按 1:1 分配，而是按 8:1:1 的内存布局，其中 Eden 和 From 区同时使用，只有 To 区会被闲置（担保机制：若 To 区不够容纳 Minor GC 后的存活对象，则晋升到老年区）

3. 标记整理：Mark-Compact

• 原理：标记存活对象后统一移动到内存空间一侧，再回收边界之外的内存

• 优点：内存模型简单，无内存碎片，降低内存分配和访问的时间成本，能提高吞吐

• 缺点：对象移动需 STW 同步更新引用关系，会增加延迟

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3.3 HotSpot GC 算法细节

1. 发起 GC：安全点与安全区域

• 问题：为保证可达性分析结果的准确性，需挂起用户线程（STW），再从各线程的执行上下文中收集 GC Root，如何通知线程挂起？

• 安全点：HotSpot 内部有线程中断标记；在各线程的方法调用、循环跳转、异常跳转等会长时间执行的指令处，额外插入检查该标记的test高效指令；若轮询发现标记为真，线程会主动在最近的 SafePoint 处挂起，此时其栈上对象的引用关系不再变化，可收集 GC Root 对象

• 安全区域：引用关系不会变化的指令区域，可安全地收集 GC Root；线程离开此区域时，若 GC Root 收集过程还未结束，则需等待

示意图

2. 加速 GC：CardTable

问题：非收集区域（老年代）会存在到收集区域（新生代）的跨代引用，如何避免对前者的全量扫描？

卡表：记忆集的字节数组实现；将老年代内存划分为 Card Page（512KB）大小的子内存块，若新建跨代引用，则将对应的 Card 标记为 dirty，GC 时只需扫描老年代中被标记为 dirty 的子内存块

写屏障：有别于volatile禁用指令重排的内存屏障，GC 中的写屏障是在对象引用更新时执行额外 hook 动作的机制。简单实现：

void oop_field_store(oop* field, oop new_val) { // oop: ordinary object pointer // pre_write_barrier(field, new_val); // 写前屏障：更新前先执行，使用 oop 旧状态 *field = new_val; post_write_barrier(field, new_val); // 写后屏障：更新完才执行 }

使用写屏障保证 CardTable 的实时更新（图源：The JVM Write Barrier - Card Marking）

3. 正确 GC：并发可达性分析

参考演讲：Shenandoah: The Garbage Collector That Could by Aleksey Shipilev

问题：GC Roots 的对象源固定，故枚举时 STW 时间短暂且可控。但后续可达性分析的时间复杂度与堆中对象数量成正相关，即堆中对象越多，对象图越复杂，堆变大后 STW 时间不可接受

解决：并发标记。引出新问题：用户线程动态建立、解除引用，标记过程中图结构发生变化，结果不可靠；证明：用三色法描述对象状态

• 白色：未被回收器访问过的对象；分析开始都是白色，分析结束还是白色则不可达

• 灰色：被回收器访问过，但其上至少还有 1 个引用未被扫描（中间态）

• 黑色：被回收器访问过，其上引用全部都已被扫描，存在引用链，为存活对象；若其他对象引用了黑色对象，则不必再扫描，肯定也存活；黑色不可能直接引用白色

STW 无并发的正确标记：顶部 3 个对象将被回收

用户线程并发修改引用，会导致标记结果无效，分 2 种情况：

• 少回收，对象标记为存活，但用户解除了引用：产生浮动垃圾，可接受，等待下次 GC

  

• 误回收，对象标记为可回收，但用户新建了引用：实际存活对象被回收，内存错误

   

论文《Uniprocessor Garbage Collection Techniques - Paul R. Wilson》§3.2 证明了「实际存活的对象被标记为可回收」必须同时满足两个条件（有时间序）

• 插入一条或多条从黑色到白色的新引用

• 删除所有灰色到该白色的直接、间接引用

为正确实现标记，打破其中一个条件即可（类比打破死锁四个条件之一的思想），分别对应两种方案：

• 增量更新 Increment Update：记录黑到白的引用关系，并发标记结束后，以黑为根，重新扫描；A 直接存活

• 原始快照 SATB（Snapshot At The Begining）：记录灰到白的解引用关系，并发标记结束后，以灰为根，重新扫描；B 为灰色，最后变为黑色，存活。需注意，若没有步骤 3，则 B,C 变为浮动垃圾

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3.4 经典垃圾回收器

搭配使用示意图：

1. Serial, SerialOld

原理：内存不足触发 GC 后会暂停所有用户线程，单线程地在新生代中标记复制，在老年代中标记整理，收集完毕后恢复用户线程

优点：全程 STW 简单高效

缺点：STW 时长与堆对象数量成正相关，且 GC 线程只能用到 1 core 无法加速

场景：单核 CPU 且可用内存少（如百兆级），JDK1.3 之前的唯一选择

2. ParNew

原理：多线程并行版的 Serial 实现，能有效减少 STW 时长；线程数默认与核数相同，可配置

场景：JDK7 之前搭配老年代的 CMS 回收器使用

3. Parallel, Parallel Old

垃圾回收有两个通常不可兼得的目标

• 低延迟：STW 时长短，响应快；允许高频、短暂 GC，比如调小新生代空间，加快收集延迟（吞吐下降）

• 高吞吐量：用户线程耗时 /（用户线程耗时 + GC 线程耗时）高，GC 总时间低；允许低频、单次长时间 GC，（延迟增加）

原理：与 ParNew 类似都是并行回收，主要增加了 3 个选项（倾向于提高吞吐量）

• -XX:MaxGCPauseTime：控制最大延迟

• -XX:GCTimeRatio：控制吞吐（默认 99%）

• -XX:+UseAdaptiveSizePolicy ：启用自适应策略，自动调整 Eden 与 2 个 Survivor 区的内存占比-XX:SurvivorRatio，老年代晋升阈值 -XX:PretenureSizeThreshold

4. CMS

CMS：Concurrent Mark Sweep，即并发标记清除，主要有 4 个阶段

• 初始标记（initial mark）：STW 快速收集 GC Roots

• 并发标记（concurrent mark）：从 GC Roots 出发检测引用链，标记可回收对象；与用户线程并发执行，通过增量更新来避免误回收

• 重新标记（remark）：STW 重新分析被增量更新所收集的 GC Roots

• 并发清除（concurrent sweep）：并发清除可回收对象

优点：两次 STW 时间相比并发标记耗时要短得多，相比前三种收集器，延迟大幅降低

缺点

• CPU 敏感：若核数较少（< 4core），并发标记将占用大量 CPU 时间，会导致吞吐突降

• 无法处理浮动垃圾：-XX:CMSInitiatingOccupancyFration（默认 92%）指定触发 CMS GC 的阈值；在并发标记、并发清理的同时，用户线程会产生浮动垃圾（引用可回收对象、产生新对象），若浮动垃圾占比超过-XX:CMSInitiatingOccupancyFration；若 GC 的同时产生过多的浮动垃圾，导致老年代内存不足，会出现 CMS 并发失败，退化为 Serial Old 执行 Full GC，会导致延迟突增

• 无法避免内存碎片：-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction（默认 0）指定每次在 Full GC 前，先整理老年代的内存碎片

5. G1

特点：基于 region 内存布局实现局部回收；GC 延迟目标可配置；无内存碎片问题

	G1	之前回收器
堆内存划分方式	多个等大的 region， 各 region 分代角色并不固定，按需在 Eden, Survivor, Old 间切换	固定大小、固定数量的分代区域
回收目标	回收价值高的 region 动态组成的回收集合	新生代、整个堆内存

跨代引用：各 region 除了用卡表标记各卡页是否为 dirty 之外，还用哈希表记录了各卡页正在被哪些 region 引用，通过这种“双向指针”机制，能直接找到 Old 区，避免了全量扫描（G1 自身内存开销大头）

G1 GC 有 3 个阶段（参考其 GC 日志）

• 新生代 GC：Eden 区占比超阈值触发；标记存活对象并复制到 Survivor 区，其内可能有对象会晋升到 Old 区

• 老年代 GC：Old 区占比达到阈值后触发，执行标记整理

  • 初始标记：枚举 GC Roots，已在新生代 GC 时顺带完成

  • 并发标记：并发执行可达性分析，使用 SATB 记录引用变更

  • 重新标记：SATB 分析，避免误回收

  • 筛选回收：将 region 按回收价值和时间成本筛选组成回收集，STW 将存活对象拷贝到空 regions 后清理旧 regions，完成回收

• 混合 GC

  

参数控制（文档：HotSpot GC Tuning Guide）

参数及默认值	描述
‐XX:+UseG1GC	JDK9 之前手动启用 G1
-XX:MaxGCPauseMillis=200	预期的最大 GC 停顿时间；不宜过小，避免每次回收内存少而导致频繁 GC
-XX:ParallelGCThreads=N	STW 并行线程数，若可用核数 M < 8 则 N=1，否则默认 N=M*5/8
-XX:ConcGCThreads=N	并发阶段并发线程数，默认是 ParallelGCThreads 的 1/4
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45	老年代 region 占比超过 45% 则触发老年代 GC
-XX:G1HeapRegionSize=N	单个 region 大小，1~32MB
-XX:G1NewSizePercent=5, -XX:G1MaxNewSizePercent=60	新生代 region 最小占整堆的 5%，最大 60%，超出则触发新生代 GC
-XX:G1HeapWastePercent=5	允许浪费的堆内存占比，可回收内存低于 5% 则不进行混合回收
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent=85	老年代存活对象占比超 85%，回收价值低，暂不回收
-XX:G1MixedGCCountTarget=8	单次收集中混合回收次数

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3.8 内存分配策略

使用 Serial 收集器 -XX:+UseG1GC 演示

1. 对象优先分配在 Eden 区

新对象在 Eden 区分配，空间不足则触发 Minor GC，存活对象拷贝到 To Survivor，若还是内存不足则通过分配担保机制转移到老年区，依旧不足才 OOM

byte[] buf1 = new byte[6 * MB]; byte[] buf2 = new byte[6 * MB]; // 10MB 的 eden 区剩余 4MB，空间不足，触发 minor GC // java -verbose:gc -Xms20m -Xmx20m -Xmn10m -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC com.ch03.Allocation // minor gc 后新生代内存从 6M 降到 0.2M，存活对象移到了老年区，总的堆内存用量依旧是 6MB [GC (Allocation Failure) [DefNew: 6823K->286K(9216K), 0.002 secs] 6823K->6430K(19456K), 0.002 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] Heap def new generation total 9216K, used 6513K eden space 8192K, 76% used // buf2 from space 1024K, 28% used to space 1024K, 0% used tenured generation total 10240K, used 6144K the space 10240K, 60% used // buf1

2. 大对象直接进入老年区

对于 Serial, ParNew，可配置超过阈值 -XX:PretenureSizeThreshold 的大对象（连续内存），直接在老年代中分配，避免触发 minor gc，导致 Eden 和 Survivor 产生大量的内存复制操作

byte[] buf1 = new byte[4 * MB]; // java -verbose:gc -Xms20m -Xmx20m -Xmn10m -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC // -XX:PretenureSizeThreshold=3145728 com.ch03.Allocation // 3145728 即 3MB Heap def new generation total 9216K, used 843K eden space 8192K, 10% used from space 1024K, 0% used to space 1024K, 0% used tenured generation total 10240K, used 4096K the space 10240K, 40% used // buf1

3. 长期存活的对象进入老年代

对象头中 4bit 的 age 字段存储了对象当前 GC 分代年龄，当超过阈值-XX:MaxTenuringThreshold（默认 15，也即 age 字段最大值）后，将晋升到老年代，可搭配-XX:+PrintTenuringDistribution观察分代分布

byte[] buf1 = new byte[MB / 16]; byte[] buf2 = new byte[4 * MB]; byte[] buf3 = new byte[4 * MB]; // 触发 minor gc buf3 = null; buf3 = new byte[4 * MB]; // java -verbose:gc -Xms20m -Xmx20m -Xmn10m -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC // -XX:MaxTenuringThreshold=1 -XX:+PrintTenuringDistribution com.ch03.Allocation [GC (Allocation Failure) [DefNew Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 1) - age 1: 359280 bytes, 359280 total : 4839K->350K(9216K)] 4839K->4446K(19456K), 0.0017247 secs] // 至此，buf1 熬过了第一次收集，age=1 [GC (Allocation Failure) [DefNew Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 1): 4446K->0K(9216K)] 8542K->4438K(19456K)] Heap def new generation total 9216K, used 4178K eden space 8192K, 51% used from space 1024K, 0% used // buf1 在第二轮收集中被提前晋升 to space 1024K, 0% used tenured generation total 10240K, used 4438K the space 10240K, 43% used

4. 分代年龄动态判定

-XX:MaxTenuringThreshold并非晋升的最低硬性门槛，当 Survivor 中同龄对象超 50% 后，大于等于该年龄的对象会被自动晋升，哪怕还没到阈值

5. 空间分配担保

老年代作为 To Survivor 区的担保区域，当 Eden + From Survivor 中存活对象的总大小超出 To Survivor 时，将尝试存入老年代。JDK6 之后，只要老年代的连续空间大于新生代对象的总大小，或之前晋升的平均大小，则只会进行 Minor GC，否则进行 Full GC

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ch06. 类文件结构

Class 文件实现语言无关性，JVM 实现平台无关性，参考《Java 虚拟机规范》

一个 Class 文件描述了一个类或接口的明确定义，文件内容是一组以 8 字节为单位的二进制流，各数据项间没有分隔符，超过 8 字节的数据项按 Big-Endian 切分后存储。数据项分两种：

• 无符号数：描述基本类型；用 u1,u2,u4,u8 分别表示 1,2,4,8 字节长度的无符号数；存储数字值、索引序号、UTF-8 编码值等

• 表：由无符号数、其他表嵌套构成的复合类型；约定 _info 后缀；存储字段类型、方法签名等

6.1 结构定义

1. 语法

参考文档：The class File Format

ClassFile { u4 magic; // 魔数 u2 minor_version; // 版本号 u2 major_version; u2 constant_pool_count; // 常量池 cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; u2 access_flags; // 类访问标记 u2 this_class; // 本类全限定名 u2 super_class; // 单一父类 u2 interfaces_count; // 多个接口 u2 interfaces[interfaces_count]; u2 fields_count; // 字段表 field_info fields[fields_count]; u2 methods_count; // 方法表 method_info methods[methods_count]; u2 attributes_count; // 类属性 attribute_info attributes[attributes_count]; }

• magic：魔数，简单识别 *.class 文件，值固定为 0xCAFEBABE

• minor_version, major_version：Class 文件的次、主版本号

• constant_pool_count：常量池大小+1

• constant_pool：常量池，索引从 1 开始，0 值被预留表示不引用任何常量池中的任何常量；常量分两类

  • 字面量：如 UTF8 字符串、int、float、long、double 等数字常量

  • 符号引用：类、接口的全限定名、字段名与描述符、方法类型与描述符等
    现有常量共计 17 种，常量间除了都使用u1 tag前缀标识常量类型外，结构互不相同，常见的有：

  • CONSTANT_Utf8_info：保存由 UTF8 编码的字符串

    CONSTANT_Utf8_info { u1 tag; // 值为 1 u2 length; // bytes 数组长度，u2 最大值 65535，即单个字符串字面量不超过 64KB u1 bytes[length]; // 长度不定的字节数组 }

  • CONSTANT_Class_info：表示类或接口的符号引用

    CONSTANT_Class_info { u1 tag; // 值为 7 u2 name_index; // 指向全限定类名的 Utf8_info // 常量间存在层级组合关系 }

  • CONSTANT_Fieldref_info, CONSTANT_Methodref_info, CONSTANT_NameAndType_info：成员变量、成员方法及其类型描述符

    CONSTANT_Fieldref_info { u1 tag; // 值为 9 u2 class_index; // 所属类 u2 name_and_type_index; // 字段的名称、类型描述符 } CONSTANT_Methodref_info { u1 tag; // 值为 10 u2 class_index; // 所属类 u2 name_and_type_index; // 方法的名称、签名描述符 } CONSTANT_NameAndType_info { u1 tag; // 值为 12 u2 name_index; // 字段或方法的名称 u2 descriptor_index; // 类型描述符 }

    如上只列举了其中 5 种常量的结构，可见常量间通过组合的方式，来描述层级关系

• access_flags：类的访问标记，有 16bit，每个标记对应一个位，比如ACC_PUBLIC对应0x0001，表示类被 public 修饰；其他 8 个标记参考 Opcodes.ACC_XXX

• this_class, super_class：指向本类、唯一父类的 Class_info 符号常量

• interface_count, interfaces：描述此类实现的多个接口信息

• fields_count, fields：字段表；描述类字段、成员变量的个数及详细信息

  field_info { u2 access_flags; // 作用域、static,final,volatile 等访问标记 u2 name_index; // 字段名 u2 descriptor_index; // 类型描述符 u2 attributes_count; // 字段的属性表 attribute_info attributes[attributes_count]; }

  类型描述符简化描述了字段的数据类型、方法的参数列表及返回值，与 Java 中的类型对于关系如下：

  • 基本类型：Z:boolean, B:byte, C:char, S:short, I:int, F:float, D:double, J:long

  • void 及引用类型：V:void

  • 引用类型：L:_，类名中的 . 替换为 /，添加 ; 分隔符，如 Object 类描述为Ljava/lang/Object;

  • 数组类型：每一维用一个前置 [ 表示
    示例：boolean regionMatch(int, String, int, int)对应描述符为 (ILjava/lang/String;II)Z

• methods_count, methods：方法表；完整描述各成员方法的修饰符、参数列表、返回值等签名信息

  method_info { u2 access_flags; // 访问标记 u2 name_index; // 方法名 u2 descriptor_index; // 方法描述符 u2 attributes_count; // 方法属性表 attribute_info attributes[attributes_count]; }

  字段表、方法表都可以带多个属性表，如常量字段表、方法字节码指令表、方法异常表等。属性模板：

  attribute_info { u2 attribute_name_index; // 属性名 u4 attribute_length; // 属性数据长度 u1 info[attribute_length]; // 其他字段，各属性的结构不同 }

  属性有 20+ 种，此处只记录常见的三种

  • Code 属性：存储方法编译后的字节码指令

    Code_attribute { u2 attribute_name_index; // 属性名，指向的 Utf8_info 值固定为 "Code" u4 attribute_length; // 剩下字节长度 u2 max_stack; // 操作数栈最大深度，对于此方法的栈帧中操作数栈的深度 u2 max_locals; // 以 slot 变量槽为单位的局部变量表大小，存储隐藏参数 this，实参列表，catch 参数，局部变量等 u4 code_length; // 字节码指令总长度 u1 code[code_length]; // JVM 指令集大小 200+，单个指令的编号用 u1 描述 u2 exception_table_length; // 异常表，描述方法内各指令区间产生的异常及其 handler 地址 { u2 start_pc; // catch_type 类型的异常，会在 [start_pc, end_pc) 指令范围内抛出 u2 end_pc; u2 handler_pc; // 若抛出此异常，则 goto 到 handler_pc 处执行 u2 catch_type; } exception_table[exception_table_length]; u2 attributes_count; // Code 属性自己的属性 attribute_info attributes[attributes_count]; }

  • LineNumberTable 属性：记录 Java 源码行号与字节码行号的对应关系，用于抛异常时显示堆栈对应的行号等信息。可作为 Code 属性的子属性

    LineNumberTable_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 line_number_table_length; { u2 start_pc; // 字节码指令区间开始位置 u2 line_number; // 对应的源码行号 } line_number_table[line_number_table_length]; }

  • LocalVariableTable 属性：记录 Java 方法中局部变量的变量名，与栈帧局部变量表中的变量的对应关系，用于保留各方法有意义的变量名称

    LocalVariableTable_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 local_variable_table_length; { u2 start_pc; // 局部变量生命周期开始的字节码偏移量 u2 length; // 向后生命周期覆盖的字节码长度 u2 name_index; // 变量名 u2 descriptor_index; // 类型描述符 u2 index; // 对应的局部变量表中的 slot 索引 } local_variable_table[local_variable_table_length]; }

    其他属性直接参考 JVM 文档

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2. 示例

源码：com/cls/Structure.java

package com.cls; public class Structure { public static void main(String[] args) { System.out.println("hello world"); } }

javac -g:lines com/cls/Structure.java 编译后，参考 javap 反编译得到的正确结果，od -x --endian=big Structure.class 得出 class 文件内容的十六进制表示，解读如下：

cafe babe # 1. u4 魔数，标识 class 文件类型 0000 0034 # 2. u2,u2 版本号，52 JDK8 # 3. 常量池 ---1--- 001f # u2 constant_pool_count，31 项（从 1 开始计数，0 预留） 0a # u1 tag，10，Methoddef_info，成员方法结构 0006 # u2 index，6，所属类的 Class_info 在常量池中的编号 ## java/lang/Object 0011 # u2 index，17，此方法 NameAndType 编号 ## <init>:()V ---2--- 09 # 9，Fileddef_info，成员变量结构 0012 # u2 index，18，所属类 Class_info 编号 ## java/lang/System 0013 # u2 index，19，此字段 NameAndType 编号 ## out:Ljava/io/PrintStream ---3--- 08 # 8，String_info，字符串 0014 # u2 index，20，字面量编号 ## hello world ---4--- 0a 0015 # 21 ## java/io/PrintStream 0016 # 22 ## println:(Ljava/lang/String;)V ---5--- 07 # Class_info，全限定类名 0017 # u2 index，23，字面量编号 ## com/cls/Structure ---6--- 07 # 7，Class_info，类引用 0018 # 24 ## java/lang/Object ---7--- 01 # Utf8_info，UTF8 编码的字符串 0006 # u2 length，6，字符串长度 3c 69 6e 69 74 3e # 字面量值 ## "<init>" ---8-16--- 01 0003 282956 ## "()V" 01 0004 436f6465 ## "Code" 01 000f 4c696e654e756d6265725461626c65 ## "LineNumberTable" 01 0004 6d61696e ## "main" 01 0016 285b4c6a6176612f6c616e672f537472696e673b2956 ## "([Ljava/lang/String;)V" 01 0010 4d6574686f64506172616d6574657273 ## "MethodParameters" 01 0004 61726773 ## "args" 01 000a 536f7572636546696c65 ## "SourceFile" 01 000e 5374727563747572652e6a617661 ## "Structure.java" ---17--- 0c # 12，NameAndType，名字及类型描述符 0007 # u2 index，7，字段或方法名字面量编号 ## <init> 0008 # u2 index，8，字段或方法结构编号 ## ()V ---18--- 07 0019 # 25 ## java/lang/System ---19--- 0c 001a 001b # 26:27 ## out:Ljava/io/PrintStream; ---20--- 01 000b 68656c6c6f20776f726c64 ## "hello world" ---21-- 07 001c # 28 ## java/io/PrintStream ---22-- 0c 001d 001e # 29:30 ## println:(Ljava/lang/String;)V ---23-31--- 01 0011 636f6d2f636c732f537472756374757265 ## "com/cls/Structure" 01 0010 6a6176612f6c616e672f4f626a656374 ## "java/lang/Object " 01 0010 6a6176 612f 6c61 6e67 2f53 7973 7465 6d ## "java/lang/System" 01 0003 6f7574 ## "out" 01 0015 4c6a6176612f696f2f5072696e7453747265616d3b ## "Ljava/io/PrintStream;" 01 0013 6a6176612f696f2f5072696e7453747265616d ## "java/io/PrintStream" 01 0007 7072696e746c6e ## "println" 01 0015 284c6a6176612f6c616e672f537472696e673b2956 ## "(Ljava/lang/String;)V" 0021 # 4. u2，access_flags ## ACC_PUBLIC | ACC_SUPER 0005 # 5. u2, this_class,5 ## --5.Class_info--> com/cls/Structure 0006 # 6. u2, super_class, 6 ## --6.Class_info--> java/lang/Object 0000 # 7. u2, interface_count, 0 0000 # 8. u2, fields_count, 0 0002 # 9. methods count, 2 # 方法一 0001 # u2, access_flags, ACC_PUBLIC 0007 # u2, name_index, 7 ## <init> 0008 # u2, descriptor_index, 8 ## ()V 0001 # u2, attribute_count, 1 0009 # u2, attribute_name_index, 9 ## Code 属性 0000 001d # u4, attribute_length, 30 0001 # u2, max_stack, 1 0001 # u2, max_locals, 1 0000 0005 # u4, code_array_length, 5 2a # u1, aload_0 ## 将第 0 个 slot 中的变量 this 入栈 b7 0001 # u1, invokespecial ## 执行从 Object 继承的 <init> b1 # u1, return ## 返回 void 0000 # u2, exception_table_length, 0 ## exception table 为空，无异常 0001 # u2, attributes_count, 1 ## Code 属性本身的子属性 000a # 10 ## LineNumberTable 属性 0000 0006 # 6 0001 # u2, line_number_table_length, 1 0000 # u2, start_pc, 0 0003 # u2, line_number, 3 # 方法二 0009 # access_flags ## ACC_PIBLIC | ACC_STATIC 000b # name_index, 11 ## main 000c # descriptor_index, 12 ## ([Ljava/lang/String;)V 0002 # attribute_count, 2 0009 # attribute_name_index, 9 ## Code 0000 0025 # attribute_length, 37 0002 # max_stack, 2 0001 # max_locals, 1 0000 0009 # code_array_length, 9 b2 0002 # getstatic, 2 ## Field: java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; // 加载静态对象变量 12 03 # ldc, 3 ## String: "hello world" // 将常量参数入栈 b6 0004 # invokevirtual, 4 ## Method: java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V // 执行方法 b1 # return 0000 # exception_table_length, 0 0001 # attributes_count, 1 000a # 10 ## LineNumberTable 0000 000a # 10 0002 # line_number_table_length, 2 0000 0005 # 0 -> 5 0008 0006 # 8 -> 6

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6.2 字节码指令

JVM 面向操作数栈（operand stack）设计了指令集，每个指令由 1 字节的操作码（opcode）表示，其后跟随 0 个或多个操作数（operand），指令集列表参考 Java bytecode instruction listings

• 大部分与数据类型相关的指令，其操作码符号都会带类型前缀，如 i 前缀表示操作 int，剩余对应关系为 b:byte, c:char, s:short, f:float, d:double, l:long, a:reference

• 由于指令集大小有限（256个），故 boolean, byte, char, short 会被转为int运算

字节码可大致分为六类：

• 加载和存储指令：将变量从局部变量表 slot 加载到操作数栈的栈顶，反向则是存储

  // 将 slot 0,1,2,3,N 加载到栈顶，T 表示类型简记前缀，可取 i,l,f,d,a Tload_0, Tload_1, Tload_2, Tload_3, Tload n // 将栈顶数据写回指定的 slot Tstore_0, Tstore_1, Tstore_2, Tstore_3, Tstore n // 将不同范围的常量值加载到栈顶，由于 0~5 常量过于常用，有单独对应的指令，ldc 则加载普通常量 bipush, sipush, Tconst_[0,1,2,3,4,5], aconst_null, ldc

• 运算指令

  Tadd, Tsub, Tmul, Tdiv, Trem // 算术运算：加减乘除，取余 Tneg, Tor, Tand, Txor // 位运算：取反、或、与、异或 dcmpg, dcmpl, fcmpg, fcmpl, lcmp // 比较运算：后缀 g 即 greater, l 即 less than iinc // 局部自增运算，与 iload 搭配使用

• 强制类型转换指令：窄化转换为 T 类型（长度为 N）时，会直接丢弃除了低 N 位外的其他位，可能会导致数据溢出、正负号不确定，浮点数转整型则会丢失精度

  i2b // int -> byte i2c, i2s; l2i, f2i, d2i; d2l, f2l; d2f

• 对象创建与访问指令：类实例、数组都是对象，存储结构不同，创建和访问指令有所区别

  new // 创建类实例 newarray, annewarray, multianewarry // 创建基本类型数组、引用类型数组、多维引用类型数组 getfield, putfield; getstatic, putstatic // 读写类实例字段；读写类静态字段 Taload, Tastore; arraylength // 读写数组元素；计算数组长度 instanceof; checkcast // 校验对象是否为类实例；执行强制转换

• 操作数栈管理指令

  pop, pop2 // 弹出栈顶 1，2 元素 dup, dup2; swap // 复制栈顶 1，2 个元素并重新入栈；交换栈顶两个元素

• 控制转移指令：判断条件成立，则跳转到指定的指令行（修改 PC 指向）

  if_<icmpeq,icmpne;icmplt,icmple;icmpgt,icmpge;acmpe,acmpne> // 整型比较，引用相等性判断 if<eq,lt,le,gt,ge,null,nonnull> // 搭配其他类型的比较运算指令使用

• 方法调用与返回指令

  invokevirtual // 根据对象的实际类型进行分派，调用对应的方法（比如继承后方法重写） invokespecial // 调用特殊方法，如 <cint>()V, <init>()V 等初始化方法、私有方法、父类方法 invokestatic // 调用类的静态方法 invokeinterface // 调用接口方法（实现接口的类对象，但被声明为接口类型，调用方法） invokedynamic // TODO Treturn, return // 返回指定类型，返回 void

• 异常处理指令：athrow 抛出异常，异常处理则由 exception_table 描述

• 同步指令：synchronized 对象锁由 monitorenter, monitorexit 搭配对象的 monitor 锁共同实现

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ch07. 类加载

7.1 类加载过程

1. 加载

原理：委托 ClassLoader 读取 Class 二进制字节流，载入到方法区内存，并在堆内存中生成对应的java.lang.Class对象相互引用

2. 验证

校验字节流确保符合 Class 文件格式，执行语义分析确保符合 Java 语法，校验字节码指令合法性

3. 准备

在堆中分配类变量（static）内存并初始化为零值，主义还没到执行 putstatic 指令赋值的初始化阶段，但静态常量属性除外：

public class ClassX { final static int n = 2; // 常量的值在编译期就已知，准备阶段完成赋值，值存储在 ConstantValue final static String str = "str"; // 字符串静态常量同理 } static final java.lang.String str; descriptor: Ljava/lang/String; flags: ACC_STATIC, ACC_FINAL ConstantValue: String str

4. 解析

将常量池中的符号引用（Class_info, Fieldref_info, Methodref_info）替换为直接引用（内存地址）

5. 初始化

javac 会从上到下合并类中 static 变量赋值、static 语句块，生成类构造器<cinit>()V，在初始化阶段执行，此方法的执行由 JVM 保证线程安全；注意 JVM 规定有且仅有的，会立即触发对类初始化的六种 case

public class ClassX { static { println("main class ClassX init"); // 1. main() 所在的主类，总是先被初始化 } public static void main(String[] args) throws Exception { // 首次会触发类的初始化 // SubX b = new SubX(); // new 对象 // 2. new, getsatic, putstatic, invokestatic 指令 // println(SuperX.a); // 读写类的 static 变量，或调用 static 方法 // println(SubX.c); // 3. 子类初始化，会触发父类初始化 // println(SubX.a); // 子类访问父类的静态变量，只会触发父类初始化 // 不会触发类的初始化 // println(SubX.b); // 1. 访问类的静态常量（基本类型、字符串字面量） // println(SubX.class); // 2. 访问类对象 // println(new SubX[2]); // 3. 创建类的数组 } } class SuperX { static int a = 0; static { println("class SuperX initiated"); } } class SubX extends SuperX { final static double b = 0.1; static boolean c = false; static { println("class SubX initiated"); } }

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7.2 类加载器

层级关系

双亲委派机制

• 原理：一个类加载器收到加载某个类的请求时，会先委派上层的父类加载器去加载，逐层向上，当父类加载器逐层向下反馈都无法加载此类后，该类加载器才会尝试自己加载；此模型保证了，诸如 rt.jar 中的java.lang.Object类，不论在底层哪种类加载器中都一定是被 Bootstrap 类加载器加载， JVM 中仅此一份，保证了一致性

• 实现

  // java/lang/ClassLoader protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // 1. 先检查自己的加载器是 以上是关于《深入理解 JVM 3ed》读书笔记的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 java内存区域——深入理解JVM读书笔记 《深入理解JVM》读书笔记 读书笔记-深入理解JVM虚拟机-1.OOM初探 深入理解JVM虚拟机读书笔记——运行时数据区 深入理解JVM虚拟机读书笔记——运行时数据区 深入理解JVM虚拟机读书笔记——垃圾回收算法