超详解 JVM 中重点内容，对整个底层体系更进认知

Posted 2023-02-17 满眼*星辰

JVM

• JVM概念
• JVM 布局（HotSpot）
• • 1. 堆
  • • 堆划分：新生代、老年代
    • 新生代区域划分
    • 新生代 -> 老年代
  • 2. JVM 栈（Java虚拟机栈）
  • • 进栈出栈代码演示
  • 3. 本地方法栈
  • 4. 程序计数器
  • 5. 元空间（JDK 1.8）/ 方法区（JDK 1.7）
  • 内存线程共享与私有
• JVM参数调优
• JVM类加载机制(class loading)
• • 1. 加载
  • 2. 效验
  • 3. 准备
  • 4. 解析
  • 5. 初始化
  • 6. 使用
  • 7. 卸载
• JVM 双亲委派模型
• • 破坏双亲委派模型
• 垃圾回收
• • 1. 判别死亡对象（垃圾）
  • • a）引用计数器算法
    • b) 可达性分析算法
  • 2. 垃圾回收算法
  • • 标记清除算法
    • 复制
    • 标记整理算法
  • 3. 垃圾回收器
  • • Serial
    • Serial Old
    • PerNew
    • Parallel Scavenge
    • Parallel Old
    • CMS
    • G1
• JMM
• • 存储构成
  • 主内存与工作内存
  • 内存间交互操作
  • JMM 三大特征
  • volatile

JVM概念

JVM(Java Virtual Machine的简称。意为Java虚拟机

虚拟机：指通过软件模拟的具有完整硬件功能的、运行在一个完全隔离的环境中的完整计算机系统

java能够一次编写，到处运行的关键（JVM兼容处理）【Linux，macos，windows】

常见虚拟机：
第一： HotSpot JVM
第二： IBM J9 JVM

JVM 布局（HotSpot）

JDK 1.8

1. 堆

new Object() 所有对象都是存在此区域，此区域也是 JVM 中最大的一块区域

JVM 的垃圾回收就是针对此区域

堆划分：新生代、老年代

• 新生代：第一次创建的对象都会分配到此区域

• 老年代：经历了一定的垃圾回收之后，依然存活下来的对象会移动到老年代；大对象在创建的时候也会直接进入老年代。

为什么大对象会直接进入老年代？
核心原因是大对象的初始化比较耗时，如果频繁的创建和销毁，会带来一定的性能开销，因此最好的实现方式是将他存放到 GC 垃圾回收频率更低的老年代

新生代区域划分

1. Eden：80% 内存
2. S0：10% 内存
3. S1：10% 内存
   新生代内存的利用率就可以达到90%
   Eden + S0 / Eden + S1

新生代 -> 老年代

HotSpot 默认的执行次数是 15 次，经历 15 次 GC 就会从新生代转到老年代。

2. JVM 栈（Java虚拟机栈）

a）局部变量表：8 大基础数据类型，对象的引用
b）操作栈：每个方法都会对应一个操作栈
c）动态连接：指向常量池的方法引用
d）方法返回地址：PC 寄存器的地址

进栈出栈代码演示

public class ThreadDemo102 

    public static void main(String[] args) 
        System.out.println("执行了main方法");
        methodA();
    

    private static void methodA() 
        System.out.println("执行了方法A");
        methodB();
    

    private static void methodB() 
        System.out.println("执行了方法B");
        methodC();
    

    private static void methodC() 
        System.out.println("执行了方法C");
    

3. 本地方法栈

它与 JVM 栈比较类似，只不过 JVM 栈是给 java 和 JVM 使用，而本地方法栈它是本地方法（c / c++）服务。

4. 程序计数器

用来记录线程执行的行号

5. 元空间（JDK 1.8）/ 方法区（JDK 1.7）

运行时常量信息、字符串常量池、类的元信息 等（JDK 1.7 的时候的方法区）

JDK 1.8 元空间：本地内存，并且将字符串常量池移动到堆

内存线程共享与私有

线程共享：堆、元空间

线程私有：JVM 栈、本地方法栈、程序计数器是

JVM参数调优

在 idea.exe.vmoptions 文件进行配置
-Xmx10m ：堆最大容量
-Xms10m ：堆最小容量设置
通常情况下可以将 Xmx 和 Xms 的大小设置相同，这样可以防止堆扩容所带来的抖动

JVM 调优的时候可以设置的参数类型：

1. -X：非标准的参数设置，它只能针对特殊 HotSpot 生效（-Xms10m）
2. -XX：标准参数设置，它针对所有的 HotSpot 都生效
3. -D：设置应用程序的参数（-Dmykey=value）

JVM类加载机制(class loading)

1. 加载

（Loading）【去机场】

1. 根据类路径全名加载二进制流
2. 将静态的存储结构转换成运行时的数据结构
3. 在内存中生成一个此类的方法入口

（将静态文件转成运行内存）

2. 效验

【安检】

1. 文件格式进行效验
2. 字节码效验
3. 元数据
4. 符合引用
   等针对正确性和安全性进行效验

3. 准备

【等待飞机起飞】
将类的静态变量在内存中进行分配，这里只赋予默认值

比如这样一行代码：
public static int count = 123；
注意此时只会在内存中生成一个 count=0 变量，对变量类型的初始化

将类中的静态变量在内存中进行分配

4. 解析

【根据机票找座位】

• 字面量：String str = “abc”，abc就是字面量
• 符号引用：类、方法的完全限定名（全路径名称）
• 直接引用：将符号引用加载到内存中（根据引用指向内存中的对象）

初始化final修饰的常量

将常量池中的符号引用替换为直接引用（内存地址）的过程

5. 初始化

【准备起飞】

为类的静态变量赋初值

此步骤开始将执行权从 JVM 转移到自己写的程序，开始执行构造函数

6. 使用

【起飞】

7. 卸载

【落地】

JVM 双亲委派模型

当加载一个类的时候，那么这个类不会直接加载，而是将这个加载任务直接交给父类。当找不到父类的时候，才自己尝试去加载

优点：

1. 唯一性（父类执行加载一次）
2. 安全性（会往上找生层的类是系统提供的类，避免加载自定义的类，从而一定程度上保证了安全性）

破坏双亲委派模型

(3次)

1. JDK 1.2 提出的双亲委派模型，为了兼容老版本，因此在 JDK 1.2 的时候已经出现了破坏双亲委派模型的场景。
2. 是因为双亲委派模型自身的缺点而导致的，比如在父类当中要调用子类的方法是没办法实现
3. 人们对于热更新的追求，导致了双亲委派模型的又一次破坏

垃圾回收

1. 判别死亡对象（垃圾）

a）引用计数器算法

给每个对象创建一个计数器，当有程序引用此类的时候，计数器 +1，不使用的时候计数器 -1，当计数器为 0 时，则表示此对象没人用，那么就可以将它归为死亡对象，等待垃圾回收器回收

引用计数器算法缺点：
它会有循环引用的问题

public class Work 

    private byte[] bytes = new byte[5*1024*1024];
    public Work obj = null;

    public static void main(String[] args) 
        Work w1 = new Work();
        Work w2 = new Work();
        //循环引用
        w1.obj = w2;
        w2.obj = w1;
        //释放对象
        w1 = null;
        w2 = null;
        //强制垃圾回收
        System.gc();
    

打印垃圾回收详情信息

执行结果：

所以HotSpot 默认的垃圾回收器使用的不是引用计数器算法

b) 可达性分析算法

HotSpot 默认使用的算法

如果对象的父类一直往上最后是 GC Roots，则不是垃圾对象，否则是垃圾对象，如上图

可以作为GC Roots的对象

1. 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
2. 方法区中静态属性引用的对象
3. 方法去中常量引用的对象
4. 本地方法栈中 JNI(Native 方法) 引用的而对象

2. 垃圾回收算法

标记清除算法

标记：可达性分析（存活的对象和死亡的对象）

黑色：标记对象
浅色：不是垃圾
白色：空内存

缺点：内存碎片
比如要创建一个数组，数组的内存空间必须是连续的，这种算法使得有很多内存碎片没有办法连续的使用内存。

复制

优点：内存性能比较高
缺点：内存利用率低

因为98%的对象都是"朝生夕死"的，所以并不需要按照1 : 1的比例来划分内存空间，为了解决内存利用率低，就分为将内存(新生代内存)分为一块较大的Eden(伊甸园)空间和两块较小的Survivor(幸存者)空间，分别占80%，10%，10%，以此来提高利用率

标记整理算法

针对老年代的特点，提出了一种称之为"标记-整理算法"。标记过程仍与"标记-清除"过程一致，但后续步
骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的
内存。

3. 垃圾回收器

Serial

单线程串行的垃圾回收器（复制算法）

Serial Old

老年代垃圾回收器（标记-整理算法）【串行GC】

PerNew

是 Serial 的多线程版本（并行垃圾回收器）

Parallel Scavenge

并行垃圾回收器（新生代）

以吞吐量作为主要依据进行垃圾回收

场景：后端系统

Parallel Old

并行垃圾回收器（老生代）

CMS

并发

（标记-整理算法）

1. 初始标记，简单的标记一下，STW小
2. 并发标记，和用户线程一起执行，
3. 重新标记，重新标记并发中用户线程产生的垃圾，STW小
4. 并发清理，
5. 循环，跳转到1

适用场景：BS，用户交互系统

G1

JDK11是默认的垃圾回收器

G1垃圾回收器回收region的时候基本不会STW，而是基于 most garbage优先回收(整体来看是基于"标
记-整理"算法，从局部(两个region之间)基于"复制"算法) 的策略来对region进行垃圾回收的

一个region有可能属于Eden，Survivor或者Tenured内存区域。图中的E表示该region属于Eden内存区
域，S表示属于Survivor内存区域，T表示属于Tenured内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。
G1垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做Humongous内存区域，如图中的H块。这种内存区域
主要用于存储大对象-即大小超过一个region大小的50%的对象

JMM

Java内存模型（让 JVM 高速运行的一种技术）

解决不同操作系统在操作内存时的性能差异。

存储构成

速度：寄存器 》 L1缓存 》 L2缓存 》主内存

主内存与工作内存

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中
保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内
存进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线
程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下所示 :

内存间交互操作

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。

JMM 三大特征

1. 原子性：要么全部成功，要么全部失败
2. 可见性：内存可见性
3. 有序性：操作有执行顺序

volatile

1. 保证此变量对所有线程的可见性
2. 使用volatile变量的语义是禁止指令重排序