JVM第一弹

Posted 2021-03-12 upuptop

JVM第一弹

基本概念

JVM是可运行java代码的假想计算机，包括一套字节码指令集，一组寄存器，一个栈，一个垃圾回收、堆和一个存储方法域。JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

运行过程

我们都知道Java代码源文件，通过编译器能够产生相应的.Class字节码文件，而字节码文件又通过Java虚拟机中的解释器，编译成特定机器上的机器码。

① Java源文件 ——> 编译器 ——> 字节码文件
② 字节码文件 ——> JVM ——> 机器码

每种平台的解释器是不同的，但是虚拟机是相同的，这也就是java为什么能够跨平台的原因了。当一个程序从开始运行，这时虚拟机就开始实例化了，多个程序 启动就会存在多个虚拟机实例。
程序退出或者关闭，则虚拟机实例消亡，多个虚拟机实例之间数据不能共享。

类加载器

什么是类的加载？
类的加载是指将类的字节码文件数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。
类的加载的最终产品是位于堆区内中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器包括：

1. 启动类加载器（BootStrap）
   ——主要有C++进行实现的。用来加载jdk安装目录下的：jre/lib下的可执行jar包。
   也可以通过设置 -XbootClasspath来动态指定jar包位置。在java代码中无法获取到该对象。

String str = new String("HelloWorld");
System.out.println(str.getClass().getClassLoader());

//控制台打印null

1. 扩展类加载器（ExtClassLoader）

   ——是java代码实现的，用来加载java安装目录下 jre/lib/ext 目录中的可执行jar包。

2. 应用程序类加载器（AppClassLoader）

   ——是java代码实现的，用来加载用户编写的代码。我们新建一个类，获取其类加载器就是AppClassLoader

public class MyClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        String str = new String("HelloWorld");
        // 打印null
        System.out.println(str.getClass().getClassLoader());


        // 打印sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        System.out.println(MyClassLoaderTest.class.getClassLoader());
        // 打印sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4554617c
        System.out.println(MyClassLoaderTest.class.getClassLoader().getParent());
        // 打印null
        System.out.println(MyClassLoaderTest.class.getClassLoader().getParent().getParent());

    }

}

由上述代码可见: AppClassLoader extend ExtClassLoader extend BootstrapClassLoader

1. 用户自定义类加载器
   —— 用户编写类继承自 java.lang.ClassLoader

为了防止用户自定义类与jdk自带的类冲突，jdk内有双亲委派机制和沙箱机制。

双亲委派机制

上述过程中，我们认识到了类加载器之间的继承关系。当java在加载类的时候，由AppClassLoader委派其父类ExtClassLoader进行加载，ExtClassLoader会再次委派其父类BootStrapClassLoader进行加载，
如果BootStrapClassLoader找到该类那么加载该类返回该类的Class对象，但是，如果此时BootStrapClassLoader没有找到该类，
那么就需要ExtClassLoader自身进行加载，如果ExtClassLoader找到该类那么加载该类返回该类的Class对象，
但是，如果ExtClassLoader也没有找到该类，那么就要由AppClassLoader进行加载。
如果最后AppClassLoader也没有找到该类，那么就会抛出 ClassNotFoundException。

（类加载器没有向下寻找，没有getChild只有getParent）

如果你自己定义了一个与jdk自带类名包名一致的类，那么java也不会去加载该类。

JVM结构

JVM内存区域主要分为

• 线程私有区域

1. 程序计数器
2. 虚拟机栈
3. 本地方法区

• 线程共享区域

1. Java堆
2. 方法区

• 直接内存

生命周期

1. 线程私有数据区域生命周期与线程相同，依赖用户线程的启动/结束而创建/销毁。
2. 线程共享区域随着虚拟机的启动/关闭 而 创建/销毁。

方法区和堆是所有线程共享的内存区域；而java栈、本地方法栈和程序计数器是运行时线程私有的内存区域。

• 方法区
  主要存放静态变量，常量，Class类模板(接口定义，构造函数)，运行时常量池。

• java堆（Heap）,是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。又被称作为运行时数据区。

• 程序计数器（Program Counter Register），是一块比较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。每个线程都有一个私有的，可以理解为它是一个指针，指向方法字节码地址，用来标记下一个要执行的方法字节码地址。

• JVM栈（JVM Stacks）,与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同，线程结束栈内存也就释放了，对于栈来说不存在来及回收的问题。主要保存八大基本数据类型的变量、对象的引用变量以及实例方法。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

• 本地方法栈（Native Method Stacks）,与c/c++交互的一块区域，本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

垃圾回收器

• Serial收集器，串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器，可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收。
• ParNew收集器，ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。
• Parallel收集器，Parallel Scavenge收集器类似ParNew收集器，Parallel收集器更关注系统的吞吐量。
• 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
• CMS收集器，CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。
• G1收集器，G1 (Garbage-First)是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足GC停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征

调优命令

Sun JDK监控和故障处理命令有 jps、jstat、jmap、jhat、jstack、jinfo

• jps，JVM Process Status Tool,显示指定系统内所有的HotSpot虚拟机进程。
• jstat，JVM statistics Monitoring是用于监视虚拟机运行时状态信息的命令，它可以显示出虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。
• jmap，JVM Memory Map命令用于生成heap dump文件
• jhat，JVM Heap Analysis Tool命令是与jmap搭配使用，用来分析jmap生成的dump，jhat内置了一个微型的HTTP/html服务器，生成dump的分析结果后，可以在浏览器中查看
• jstack，用于生成java虚拟机当前时刻的线程快照。
• jinfo，JVM Configuration info 这个命令作用是实时查看和调整虚拟机运行参数。

调优工具

常用调优工具分为两类

1. jdk自带监控工具：jconsole和jvisualvm

• jconsole，Java Monitoring and Management Console是从java5开始，在JDK中自带的java监控和管理控制台，用于对JVM中内存，线程和类等的监控
• jvisualvm，jdk自带全能工具，可以分析内存快照、线程快照；监控内存变化、GC变化等。

1. 第三方有：MAT(Memory Analyzer Tool)、GChisto。

• MAT，Memory Analyzer Tool，一个基于Eclipse的内存分析工具，是一个快速、功能丰富的Java heap分析工具，它可以帮助我们查找内存泄漏和减少内存消耗
• GChisto，一款专业分析gc日志的工具

你知道哪些JVM性能调优

• 设定堆内存大小
  -Xmx：堆内存最大限制。

• 设定新生代大小。
  新生代不宜太小，否则会有大量对象涌入老年代
  -XX:NewSize：新生代大小
  -XX:NewRatio 新生代和老生代占比
  -XX:SurvivorRatio：伊甸园空间和幸存者空间的占比

• 设定垃圾回收器
  年轻代用 -XX:+UseParNewGC
  年老代用-XX:+UseConcMarkSweepGC

什么时候出现栈溢出

递归操作，程序没有出口会一直进行压栈操作

为什么会出现栈溢出

栈的深度不够了

堆内存

逻辑上分为

• 新生区
• 养老区
• 永久区

物理上分为

新生区 、 养老区、 永久区

又将新生区分为了三个区

• 伊甸园区(80%)
• 幸存者from区(10%)
• 幸存者to区(10%)

新new的对象都放在伊甸园区，存活率2%，其他对象都被垃圾回收器回收
没有被垃圾回收幸存下来的对象将会保存到幸存者区
当伊甸园区内存不足时，会进行轻量级（minor GC）垃圾回收，将幸存者from区和伊甸园区的还在用的对象移动到幸存者to区，
然后清空幸存者from区和伊甸园区，幸存者from区清空之后会交换from区和to区，保证to区始终是空的。注意from区向to区移动之前会判断对象的年龄，
如果大于15，直接移动到养老区。年龄计数的原理:垃圾回收器回收一次，幸存活一次加一岁。
如果养老区的内存也不够用了，就会触动重量级GC（full GC）将养老区和新生区全量级回收垃圾对象。如果FullGC之后养老区的内存还是不够用，那么会引发OOM。

如果程序一开始就new了一个比伊甸园区大的对象，伊甸园区没有足够的空间存放应该如何存放呢？此时会将对象存放到养老区，如果养老区也不够存储，那么会引发OOM。

对象分配规则

对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间时，虚拟机执行一次Minor GC。

大对象直接进入老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。

长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，知道达到阀值对象进入老年区。

动态判断对象的年龄。如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代。
空间分配担保。每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC,如果false则进行Full GC。

产生OOM的原因？

• java设置的堆内存不够，可以通过设置 -Xms -Xmx 来调整堆内存的大小
• java内存中创建了大量的大对象，并且长时间不能被垃圾回收器回收

java8与元数据

在java8中，永久代已经移除了，被“元数据”（元空间）的区域所取代。元空间的本质和永久代类似，元空间与永久代的最大区别在于：
元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。
类的源数据放入本定内存中，字符串和类的静态变量放到java堆中，这样可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制，而由系统的实际可用空间来控制。

垃圾回收与算法

如果确定垃圾

1. 引用计数法
   在java中，引用和对象是有关联的。如果要操作对象则必须用引用进行。因此，一个简单的方法就是通过引用计数来判断一个对象是否可以回收。简单来说，即一个对象如果没有任何与之关联的引用，即他们的引用计数都不为0，则说明对象不太可能再被用到，那么这个对象就是可回收对象。

2. 可达性分析
   为了解决引用计数法的循环引用问题，java使用了可达性分析的方法。通过一系列的“GC roots”对象作为起点搜索，如果在“GC roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的。

注意 不可达并不等价于可回收对象，不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记过程。两次标记后仍是可回收对象，则将面临回收。

1. 标记清楚算法

最基础的垃圾回收算法，分为两个阶段：标记和清楚。标记阶段是标记出来所有要回收的对象，清楚阶段回收被标记的对象所占的空间。

该算法的缺点：
内存碎片化严重，垃圾清理完成后，造成很多内存空间不连续。后续可能发生大对象不能找到可利用的问题。

MajorGC使用该算法

1. 复制算法
   为了解决标记清楚算法内存碎片化的缺陷而提出的算法。按照内存容量将内存划分为等大小的两块。每次只使用其中一块，当这一块内存满后将尚存活的对象复制到另一块上去，把已使用的内存清理掉。

MinorGC使用该算法

缺点：
这种算法虽然实现简单，内存效率高，不易产生碎片，但是最大的问题是可以用内存被压缩到了原本的一半。且存活对象增多的话，copying算法的效率也大大降低。

1. 标记整理算法
   结合以上两个算法，为了避免缺陷而提出。标记阶段和标记清楚算法相同，标记后不是清理对象，而是将存活对象移向内存的一端。然后清楚端边界的对象.

1. 分代收集算法
   分代收集算法是目前大部分JVM所采用的方法，其核心思想是根据对象村花的不同生命周期将内存划分为不同的域，一般情况下将GC堆划分为老生代和新生代。老生代的特点是每次垃圾回收只有少量对象需要被回收，新生代的特点是每次垃圾回收是都有大量垃圾需要被回收，因此可以根据不同区域采用不同的算法。

6.1. 新生代与复制算法

目前大部分的JVM的GC对于新生代都采取了copying方法，因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，
即要复制的操作比较少，但通常并不是按照1:1来划分新生代。一般将新生代划分为一块较大的Eden空间和两个比较小的Surviror空间（FromSpace，ToSpace),每次使用Eden空间和其中的一块Surivor空间，当进行回收时，将该两块空间中还存活的对象复制到另外一块Survivor空间中。

6.2 老年代与标记复制算法
而老年代因为每次只回收少量的对象，因此采用Mark-Compact算法。

1. JAVA虚拟机提到过的处于方法区的永生带，它用来存储class类，常量、方法描述等。对永生代的回收主要包括废弃常量和无用的类
2. 对象的内存分配主要在新生代的EdenSpace和SurvivorSpace的FormSpace（Survivor目前存放对象的那一块），少数情况会直接分配到老生代。

3. 当新生代的EdenSpace和FromSpace空间不足时就会发生一次GC，进行GC后，EdenSpace和FromSpace区的存活对象会被移动到ToSpace，然后将EdenSpace和FromSpace进行清理。

4. 如果ToSpace无法足够存储某个对象，则将这个对象存储到老生代。
5. 进行GC后，使用的便是EdenSpace和ToSpace了，如此反复循环。

6. 当对象在Survivor区躲过一次GC后，其年龄就会+1。默认情况下年龄达到15的对象就会移动到老生代中

Java中的四种引用

强引用

在Java中最常见的就是强引用，把一个对象赋值给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。
当一个对象被强引用变量引用时，它处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到，JVM也不会回收。因此强引用是造成Java内存泄漏主要原因之一。

软引用

软引用需要使用SoftReference类来实现，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时他不会被回收，当系统内存足够用时，它不会被回收，当系统内存不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中。

弱引用

弱引用需要用WeakReference类来实现，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管JVM的内存空间足够，总会回收该对象占用的内存。

虚引用

虚引用需要PhantomReference类来实现，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。