JVM（解读Java 虚拟机）

Posted 2021-12-24 Panda_Java

JVM学习笔记

• 1. JVM整体结构
• • 1.1. 字节码文件
  • 1.2. 类加载器
  • • 1.2.1 加载 Loading
    • 1.2.2 链接 Linking
    • 1.2.3 初始化 Initialization
  • 1.3. 运行时数据区 Runtime Data Area
  • • 1.3.1 程序计数器
    • 1.3.2 虚拟机栈
    • 1.3.3 本地方法栈
    • 1.3.4 堆
    • 1.3.5 方法区（Method Area）
  • 1.4. 执行引擎
  • • 1.4.1 解释器
    • 1.4.2 即时编译器
    • 1.4.3 垃圾回收器
• 2. 类加载器子系统
• • 2.1类加载器子系统的作用
  • 2.2 类的加载过程
  • 2.3 类的链接过程
  • 2.4 类的初始化
• 3.双亲委派机制（类加载器涉及双亲委派机制）
• • 3.1 双亲委派机制工作原理
  • 3.2 双亲委派机制优势
  • 3.3 沙箱安全机制
• 4. 运行时数据区（堆：Heap Area）
• • 4.1 堆的核心概述
  • 4.2 堆的内存细分
  • 4.3 设置堆内存大小与OOM
  • 4.4 年轻代与老年代
  • 4.5 Minor GC、Major GC与Full GC区别
  • 4.6 Full GC 触发机制
• 5. 执行引擎
• 6. 垃圾回收算法 GC
• • 6.1 什么是垃圾？
  • 6.2 为什么需要GC？
  • 6.3 垃圾回收机制
  • 6.4 垃圾回收相关算法
  • 6.4.1 标记阶段：引用计数算法、可达性分析算法
  • • 6.4.1.1. 引用计数算法
    • 6.4.1.2. 可达性分析算法
  • 6.4.2 清除阶段：标记-清除算法、复制算法、标记-压缩算法
  • • 6.4.2.1 标记-清除算法（Mark-Sweep算法）
    • 6.4.2.2 复制算法 （新生代S0和S1区）
    • 6.4.2.3 标记-压缩算法（Mark-Compact）
  • 6.5 对比三种算法
• 7. 垃圾回收器（待更新...）
• • 7.1 垃圾回收器的分类：
  • 7.2 评估GC的性能指标：（重点关注红色）
  • 7.3 Java常见的垃圾收集器有哪些？（经典）
  • 7.4 垃圾收集器的组合关系
  • 7.5 吞吐量与暂停时间对比说明
  • 7.6 Serial收集器（单线程、 复制算法):
  • 7.7 ParNew收集器 (Serial+多线程):
  • 7.8 Parallel Scavenge收集器 (多线程复制算法、高效):
  • 7.9 Serial Old收集器 (单线程标记整理算法):
  • 7.10 Parallel Old收集器 (多线程标记整理算法)：
  • 7.11 CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（多线程标记清除算法）：
  • 7.12 G1(Garbage First)收集器 (标记-整理算法)：
  • 7.13 7种经典的垃圾回收器总结

1. JVM整体结构

学习JVM的目的：性能调优

1.1. 字节码文件

源代码通过编译器生成.class字节码文件

1.2. 类加载器

1.2.1 加载 Loading

类加载器包括：引导类加载器（BootStrap ClassLoader）、扩展类加载器(Extension ClassLoader)、应用类加载器(Application ClassLoader)

1.引导类加载器（BootStrap ClassLoader启动类加载器）:用来加载Java的核心库
/jre/lib/jar包、resource.jar包。负责扩展类加载器和应用类加载器，并指定为
他们的父类加载器。
2.扩展类加载器：java编写，间接派生于ClassLoader类，父类加载器为启动类加载
器。从在JDK的安装目录jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库。用户创建的jar
放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载。
3.应用程序类加载器：该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，java应用的类
都是由它完成加载的。
4.自定义加载器：通过继承抽象类Java.lang.ClassLoader类的方式，实现自己的类
加载器，以满足一些特殊的需求。

1.2.2 链接 Linking

Linking 包含三个环节：验证Verify、准备Prepare、解析Reslove

1.2.3 初始化 Initialization

静态变量的初始化

1.3. 运行时数据区 Runtime Data Area

1.3.1 程序计数器

程序计数器：存储指向下一条指令的地址。

程序计数器不存在GC 和 OOM.
除了程序计数器外，其他几个运行时区域的都有可能发生OutOfMemmoryError

1.3.2 虚拟机栈

1. 虚拟机栈存储着以下内容：栈帧（局部变量表、动态链接、方法返回地址）
2. 虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型。

1.3.3 本地方法栈

本地方法栈：是为虚拟机使用的本地方法服务。

本地方法栈和虚拟机栈发挥的作用相似的，虚拟机栈为虚拟机执行java方法服务，
而本地方法则是为了虚拟机使用到的本地方法服务。

1.3.4 堆

创建Java对象，存放对象实例。

1.3.5 方法区（Method Area）

方法区：存放被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
注：字符串常量池则存在于方法区。

1.4. 执行引擎

执行引擎：将运行时数据区的指令翻译成机器指令,供CPU执行。

1.4.1 解释器

1.4.2 即时编译器

1.4.3 垃圾回收器

问题：如果自己写一个Java虚拟机的话，主要考虑哪些结构？
答：类加载器和执行引擎

2. 类加载器子系统

2.1类加载器子系统的作用

2.2 类的加载过程

2.3 类的链接过程

2.4 类的初始化

初始化阶段：执行类构造器方法()的过程。

3.双亲委派机制（类加载器涉及双亲委派机制）

3.1 双亲委派机制工作原理

1. 案例：自定义了一个String类，String str = new String(); 默认调用自定义的String. 蕴含着双亲委派机制。
   
2. 双亲委派机制工作原理：
   

3.2 双亲委派机制优势

1. 避免类的重复加载
2. 保护程序安全，防止核心API被随意篡改。（自定义类：java.lang.String）

3.3 沙箱安全机制

4. 运行时数据区（堆：Heap Area）

4.1 堆的核心概述

0. 描述该图
   
1. 所有的线程共享Java堆，在这里还可以划分线程私有的缓冲区（Thread Local Allocation Buffer）TLAB。
2. java堆的描述：所有的对象实例以及数组都应该在运行时分配在堆上。
3. 数组和对象永远不会存储在栈上，因为栈帧中保存引用，这个引用指向对象和数组在堆中的位置。
4. 在方法结束后，堆中的对象不会立马移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。
5. 堆是GC执行垃圾回收的重点区域。

4.2 堆的内存细分

大厂面试jdk8中内存有哪些变化？ 堆空间的元空间

4.3 设置堆内存大小与OOM

1.设置堆空间大小的参数
-xms 用来设置堆空间（年轻代和老年代）的初始内存大小
-xmx 最大内存大小

4.4 年轻代与老年代

1. 年轻代含：伊甸园Eden、Survivor 0(幸存者0区 From)、Survivor 1(To).
   
2. 参数设置
   -XX: NewRatio 设置新生代与老年代的比例，默认值是2.
   
3. YGC / Minor GC

1. 当伊甸园区满时会触发 Minor GC
2. 年龄计数器age 达到上限阈值，需要晋升到老年代 （默认age = 15）
3. s0 : s1  = 1:1
4. 关于垃圾回收：频繁在新生区收集，很少在养老区收集，几乎不在永久区/元空间收集。

YGC触发时，幸存者会被动进行垃圾回收。

4. FGC / Full GC
老年区满时（或者存放大文件）触发FGC.

4.5 Minor GC、Major GC与Full GC区别

4.6 Full GC 触发机制

触发 Full GC执行的情况有5种：

5. 执行引擎

1. 执行引擎的概述（视频110）
   
2. 执行引擎的工作流程
   
3. Java代码编译和执行的过程
   

6. 垃圾回收算法 GC

6.1 什么是垃圾？

垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象。

6.2 为什么需要GC？

1 内存迟早会被消耗完、2 JVM将整理出的内存分配给新的对象（案例 买1w的苹果）、3 应用程序业务庞大，没有GC就不能保证应用程序的正常进行。

6.3 垃圾回收机制

1. 内存泄漏：内存区由于程序员编码的问题忘记了被回收，导致内存泄漏, 长时间积累—>OOM.
2. Java中自动内存管理。
3. GC的作用区域：方法区（元空间）和堆。 程序计数器、java栈、本地方法栈 不存在GC. 程序计数器也不存在溢出OOM.

6.4 垃圾回收相关算法

6.4.1 标记阶段：引用计数算法、可达性分析算法

垃圾标记阶段：对象存活判断-----》对象存活的两种方式：上述的引用计数和可达性分析算法。

6.4.1.1. 引用计数算法

1 定义：对于每个对象保存一个整形的引用计数器属性，用于记录对象被引用的情况。
2 优点：实现简单，判断效率高、回收没有延时性。
3 缺点：存储空间的开销、时间开销 、 无法处理循环引用。
4 循环引用的案例：

6.4.1.2. 可达性分析算法

1 基本思想：

2 哪些对象可以作为GC Roots的对象：
1 虚拟机栈中引用的对象
2 方法区中的类静态属性引用的对象
3 方法区中常量引用的对象
4 本地方法栈JNI（Native方法）引用的对象

6.4.2 清除阶段：标记-清除算法、复制算法、标记-压缩算法

6.4.2.1 标记-清除算法（Mark-Sweep算法）

1 原理

2 案例

3 标记-清除算法的缺点
①2次遍历—>效率不算高；
②在进行GC的时候，需要停止整个应用程序，导致用户体验差；
③这种方式清理出来的·空闲空间内存是不连续的，产生内存碎片。需要维护一个空闲列表。

6.4.2.2 复制算法 （新生代S0和S1区）

1 原理

2 案例

3 复制算法的优缺点

注意适用场景：(存活对象少、垃圾对象多的情况下)大部分对象死亡，少量对象存活 复制到B区，----》新生代区 S0与S1区非常合适。

6.4.2.3 标记-压缩算法（Mark-Compact）

1 背景 ：改进于标记-清除法。

2 原理
标记-压缩算法的最终效果等同于标记–清除算法执行后，再进行一次内存碎片整理。

3 优缺点

6.5 对比三种算法

7. 垃圾回收器（待更新…）

7.1 垃圾回收器的分类：

1 按线程数分可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。
适用场景：串行垃圾回收器—单CPU.
案例：
2 按工作模式分可以分并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器
案例：
3 碎片处理方式分可以压缩式和非压缩式垃圾回收器
4 按工作的内存空间分可以分为年轻代和老年代垃圾回收器

7.2 评估GC的性能指标：（重点关注红色）

7.3 Java常见的垃圾收集器有哪些？（经典）

7.4 垃圾收集器的组合关系

7.5 吞吐量与暂停时间对比说明

案例

7.6 Serial收集器（单线程、 复制算法):

新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效；

7.7 ParNew收集器 (Serial+多线程):

新生代收并行集器，实际上是Serial收集器的多线程版本，在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现；

7.8 Parallel Scavenge收集器 (多线程复制算法、高效):

新生代并行收集器，追求高吞吐量，高效利用 CPU。吞吐量 = 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)，高吞吐量可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，适合后台应用等对交互相应要求不高的场景；

7.9 Serial Old收集器 (单线程标记整理算法):

老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本；

7.10 Parallel Old收集器 (多线程标记整理算法)：

老年代并行收集器，吞吐量优先，Parallel Scavenge收集器的老年代版本；

7.11 CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（多线程标记清除算法）：

老年代并行收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，具有高并发、低停顿的特点，追求最短GC回收停顿时间。

7.12 G1(Garbage First)收集器 (标记-整理算法)：

Java堆并行收集器，G1收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于“标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是：G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而前六种收集器回收的范围仅限于新生代或老年代。
现在标准：在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间

7.13 7种经典的垃圾回收器总结