岛田悠米

心中有梦 不负韶华

jvm虚拟机

发表于 分类于 阅读次数： 评论次数：
本文字数： 6k 阅读时长 ≈ 5 分钟

作为一个Java后端攻城狮，jvm是必须要懂的知识点。我主要是看书+看视频结合起来学习，书看的是『深入理解java虚拟机第三版』，视频看的是宋红康的jvm教程。
宋红康jvm教程

接下来就开始漫长的jvm学习之旅吧(◕ᴗ◕✿)

内存与垃圾回收篇

1 JVM与Java体系结构

比较重要的两个概念：虚拟机、垃圾回收器
Java虚拟机：它是一台虚拟的计算机，专门为执行单个计算机程序而设计，在Java虚拟机中执行的指令称为Java字节码指令。jdk8用的虚拟机是Hotspot
image.png

jvm的整体结构
image.png
jvm的架构模型
image.png
现在的虚拟机一般都包括解释器和编译器，解释器响应速度快，编译器提升的是性能
比较流行的三个商用虚拟机：Hotspot、JRocket、J9

2 类加载子系统

image.png
验证：验证字节码文件是否正确
准备：初始化变量，赋默认值

虚拟机自带的加载器
image.png

image.png

双亲委派机制

image.png
为了防止项目被恶意攻击，引入双亲委派机制，把请求交给父类处理。倘若父类加载器无法完成任务，子类加载器才会去加载。
image.png
自定义对象的加载器就是系统加载器Application ClassLoader
image.png

沙箱安全机制：对java核心源代码的保护
image.png
字节码文件是放到方法区进行保存的，还有类加载器信息也是放在方法区

3 运行时数据区

image.png
举例：虚拟机就是1个进程，1个进程有5个线程，就有5组虚拟机栈。这些线程共用方法区和堆区。
重点优化主要在于堆和方法区。95%垃圾回收发生在堆，5%发生在方法区。jdk8后方法区被替换为元空间，元空间存在于本地内存，意味着只要本地内存足够，它不会出现像永久代中”java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”这种错误。

4 程序计数器

程序计数器，也称作PC寄存器
栈和程序计数器是没有垃圾回收的，堆和方法区有垃圾回收
javap -v对字节码文件进行解析，要切换到class的目录里
java文件反编译的话使用jd-gui
image.png
指令地址是存在程序计数器中的。程序计数器用来存储指向下一条指令的地址。因为cpu不断切换各个线程，就需要程序计数器记录当前执行的指令地址。每个线程分配一个程序计数器
image.png

image.png

5 虚拟机栈

虚拟机栈概述

虚拟机栈保存方法的局部变量、部分结果，对应着一次次Java方法的调用
image.png
栈是运行时的单位，堆是存储时的单位
一般来说数据区堆的占比是比较大的，现在元空间改用本地内存后，空间大大增加
image.png

栈的优点、可能出现的异常

image.png
image.png
虚拟机调优：
image.png
不同线程之间的栈帧是不允许相互引用的

栈的内部结构

虚拟机栈内部包括局部变量表、操作数栈
image.png
image.png

局部变量表

image.png
javap对字节码文件进行解析，可以看到局部变量、栈帧信息、指令地址
局部变量表最基本的存储单元是Slot(变量槽) 8个字节对应两个槽，从第一个槽读取
this变量不存在于当前方法的局部变量表中

操作数栈

image.png
操作数栈在编译的时候，长度就确定了
++i 和 i++如果不进行赋值，它们的效果是一样的

动态链接

指向运行时常量池的方法引用，运行时常量池存在于方法区

方法的调用

image.png

Java是静态语言，静态类型语言检查在编译期，动态类型语言检查在运行期
image.png
image.png
两个线程公用一个资源，有可能线程不安全。线程不安全的原因是两个线程对同一个对象进行操作，产生冲突

6 本地方法接口

native关键字修饰的方法，一个Native Method就是一个Java调用非Java代码的接口
Native Method就是调用了底层的C、C++方法
Java与底层操作系统交互，可能要用到C的接口

7 本地方法栈

Java虚拟机栈用于管理Java方法的调用，本地方法栈用于管理本地方法的调用

8 堆

1.堆的核心概述

概述

一个进程对应一个jvm实例，对应一个运行时数据区。一个进程里有多个线程，多个线程共享堆和方法区。共享就要考虑线程安全问题
堆在创建时空间大小就被分配了，堆的空间大小可以调节
javac 编译 java运行
堆可以处于物理上不连续，逻辑上连续
对象实例和数组存放在堆上
image.png
栈中存放的是对象的引用，堆中存放的是对象的实例。当对象使用完后，对象指向堆的引用就被断开，这个对象
当堆空间不够用的时候，会触发GC，判断是否成为垃圾需要回收。GC不能频繁触发，会影响用户线程的效率。栈中只存在入栈出栈的操作，没有垃圾回收

内存细分

image.png
jdk7的时候叫永久代，jdk8的时候叫元空间
逻辑上新生代、老年代、元空间属于堆，实际上只管辖新生代、老年代。元空间属于方法区的范畴
在VM options中设置虚拟机运行参数

2.设置堆内存大小与OOM

-Xms用来设置堆空间的起始内存大小，-Xmx用来设置堆空间的最大内存大小
默认堆空间大小：
初始内存：电脑内存大小/64
最大内存：电脑内存大小/4

开发中建议将初始堆内存和最大堆内存设置成相同的值。避免GC扩容造成系统不必要的占用。
s0(from)和s1(to)由于复制算法的原因，二选一使用，有一个是不存放数据的。因此实际计算的最大内存比设置的小。
-XX：+PrintGCDetails 打印GC过程中的细节
Throwable分为Exception和Error
image.png
默认情况下：
新生代：老年代=1:2
Eden：s0：s1=8:1:1
image.png
没有引用指向的堆内存叫做垃圾
s0、s1为空的区域称为to区，年龄计数器达到15，对象进入老年代。Eden满了会触发Young GC,s0区垃圾回收是被动的，Young GC也触发so垃圾回收。老年代很少发生GC，大部分回收的都是新生代
总结
image.png

超大对象有可能直接进入老年代，Eden存活的对象如果放不进so、s1，也有可能直接晋升老年代。老年代发生的垃圾回收是Full GC。发生10次Young GC，才有可能发生一次Full GC
老年代满了就会报OOM错误。调优就是让GC的次数尽量少一些，让用户线程执行的效率更高
Full GC收集整个堆空间和方法区的垃圾回收
如果Full GC后空间还是不足，就会报OOM

分代的理由就是优化GC性能

3.内存分配策略

image.png
举例：
byte[] byte = new byte[1024 * 1024 * 20] 就是一个20M的大对象，如果该对象大于Eden区内存，就会直接被分配到老年代
TLAB是虚拟机在堆内存的eden划分出来的一块专用空间，是线程专属的。TLAB一般占Eden的1%，是被每个线程私有的空间
image.png
image.png

逃逸分析

image.png

这个例子new出的对象，作用域只在当前方法有效，没有发生逃逸，因此对象存在栈中。
image.png
开启逃逸分析后，未发生逃逸的对象会分配到栈上，提高程序效率。但这种情况发生的较少，大部分实例对象还是存储在堆上的。

代码优化

image.png
标量是指一个无法再分解为更小数据的数据
局部变量存储在栈中

9 方法区

方法区的内部结构：永久代->元空间
方法区中存放程序加载的类的信息

1.栈、堆、方法区的交互关系

image.png
image.png
image.png
永久代可能发生OOM，元空间使用本地内存
image.png
方法区中存储类型信息、方法信息(方法修饰符、返回类型等)、运行时常量池
jdk8后字符串常量池、静态变量存放到堆中了
image.png

2.运行时常量池

字节码文件直接打开是乱码的，要反编译后才能看到正常的字节码文件信息
字节码文件的常量池存放编译期生成的各种数值量和对类型、方法的符号引用
image.png
image.png

Hotspot中方法区的变化：
image.png

永久代为什么被元空间替代？
对永久代设置空间大小是很难确定的；对永久代进行调优是很困难的

元空间使用本地内存，大大减少GC的次数
full gc是老年代、元空间空间不足时才会触发
方法区的垃圾回收主要包括两部分内容：常量池中废弃的常量和不再使用的类型

10 对象的实例化内存布局与访问定位

1.对象的实例化

image.png
image.png

2.对象的内存布局

image.png
类的对象头包含什么？
运行时元数据、类型指针。如果是数组，还需记录数组的长度

3.对象访问方式

句柄访问、直接指针

11 直接内存

直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存空间
image.png
IO阻塞，NIO非阻塞

image.png

12 执行引擎

image.png
Java字节码的执行是由执行引擎完成的

Java为什么是半解释半编译的语言？
Java字节码文件既可以由解释器执行，也可以由JIT即时编译器执行

汇编语言

机器码是由二进制编码方式表示的指令，能被计算机直接识别
汇编语言、高级语言都需要翻译成机器指令，才能被cpu解释执行

解释器

image.png
Java字节码是由解释器翻译成平台对应的本地机器指令执行，由PC计数器记录下一条需要被解释的字节码指令

JIT编译器

image.png
image.png
解释器响应快，JIT编译器效率高

那么，什么时候使用解释器，什么时候使用即时编译器呢？
采用基于计数器的热点探测，符合条件就把代码翻译成机器指令，并且缓存

设置程序执行方式
image.png

JIT编译器的分类
image.png
64位的jdk只能采用-server的JIT编译器
C1就是-client方式，C2就是-server方式

13 String Table

1.String的基本特性

image.png
jdk9中关于String的变化：char[]两个字节，byte[]一个字节，byte加上编码标记，节约了内存
image.png

当字符串常量池中的字符串很多时，提高StringTableSize，性能会提高
image.png
如果是成员变量，那么不分基本类型和引用类型都是在java的堆内存里面分配空间，而局部变量的基本类型是在栈上分配的。
栈中存放对象引用和局部变量，对象引用指向堆

2.字符串的拼接操作

image.png
image.png

拼接操作出现变量的情况下，左右两边变量是不相等的
String字符串拼接的过程出现变量，会创建一个StringBuilder、String对象
image.png
StringBuilder的append()方法自始至终只使用一个对象，最终打印字符串需要使用toString()方法
开发当中，如果大概确定字符串的长度，建议构造器设置StringBuilder的长度，避免扩容影响效率

3.intern()的理解

image.png
intern()方法的作用是在字符串常量池中创建字符串常量
image.png
image.png
对于程序中大量存在的重复字符串，使用intern()赋值字符串，可以节约内存空间和执行时间

14 垃圾回收概述

类的加载器将字节码文件加载到内存中，再由执行引擎解释执行

1.什么是垃圾

垃圾是指运行程序中没有任何指针指向的对象

2.为什么需要GC

image.png
垃圾回收只作用于方法区和堆，堆是垃圾收集器的工作重点

15 垃圾回收相关算法

1.垃圾标记阶段：对象存活判断

image.png

引用计数算法

Java没有使用这种算法，这样很难处理循环引用关系，可能导致内存泄漏
image.png
内存泄漏：对象已经没有价值了，但不能被GC
image.png

可达性分析算法

Java使用这种算法，解决循环引用的问题，防止内存泄漏的发生
image.png
image.png

2.对象的finalization机制

垃圾回收对象之前，总会先调用这个对象的finalize()方法，交给垃圾回收器去调用即可。
可达性分析算法：如果从所有的根节点都无法访问到某个对象，说明对象已经不再使用了，但不一定这个对象就是非回收不可的，还会调用finalize()方法进行判断，对象存在三种状态。
image.png

两次标记过程判断对象是否需要回收
image.png
第一次标记，调用finalize()方法，对象可复活。第二次标记，由于finalize()已经调用，对象就需要被回收
Jprofile JVM的调优工具，要求熟练使用，至少会用一款工具即可。

堆空间的实体没有对象的引用，就需要被回收

3.垃圾清除阶段：标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法

标记-清除算法

image.png
标记-清除算法中：不可达的对象会被垃圾回收，标记的对象是可达对象
效率不太高，需要遍历两次，标记一次，清除一次，并且需要stw
image.png

复制算法

复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下
image.png
新生代的survivor区使用复制算法非常高效

标记-整理算法

不仅清除了垃圾，还进行内存碎片的整理，效率会比标记-清除算法低一些
image.png

4.分代收集算法

Java虚拟机的垃圾回收使用的是分代收集算法
image.png

标记清除算法，标记和清除时都要处于stop the world状态，用户线需要停止。

5.增量收集算法

image.png
image.png

image.png

16 垃圾回收相关概念

1.System.gc()的理解

Full GC就是对老年代进行垃圾回收，一般也会对新生代进行垃圾回收。
调用这个方法，会触发Full GC，会对老年代和新生代进行垃圾回收。附带免责声明，提醒jvm进行垃圾回收，但是不确定是否马上执行gc

2.内存溢出与内存泄漏

内存溢出(OOM)：没有空闲内存，并且垃圾收集器也无法提供更多内存
image.png
内存泄漏：只有对象不会再被程序用到，但是GC又不能回收他们的情况，才叫内存泄漏。内存泄漏的数据比较多的时候，是有可能导致OOM的。
举例:
image.png

3.Stop The World

image.png

4.垃圾回收的并行与并发

并发

同一个程序段内几个程序运行
image.png

并行

同一时间几个程序运行
决定并行的因素是CPU的核心数量，多个核就可以同时进行多个进程

5.安全点与安全区域

image.png
image.png

6.Java中引用的概念

image.png
以上四种引用，都是在引用关系还存在的情况下进行讨论，即可达的情况
栈帧中的局部变量表指向堆空间的对象

强引用

GC Roots中的引用指向堆空间的对象，属于强引用的范畴
日常开发中99%的对象都是强引用
强引用是造成内存泄漏的主要原因

软引用

系统将要发生内存溢出之前，才会把软引用对象回收。当内存够的时候，不会清除软引用
image.png

弱引用

被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生为止
软引用、弱引用非常适合来保存那些可有可无的缓存数据

虚引用

虚引用即对象回收跟踪
image.png
守护线程：当程序中没有非守护线程时，守护线程也执行结束

17 垃圾回收器

Java发展至今已经衍生了众多的GC版本
jdk8默认的垃圾回收器是并行回收器，新生代用Parallel GC、老年代用Parallel Old GC。这两个垃圾回收器是搭配使用，互相激活
jdk9默认的垃圾回收器是并发回收器，使用G1 GC

1.Java8的新特性

image.png

2.垃圾回收器的分类和性能指标

分类

image.png

性能指标

image.png
image.png

3.垃圾回收器的介绍

image.png
并发：用户线程和垃圾回收线程可以同时执行
image.png

CMS回收器

CMS GC作用于老年代，使用标记-清除算法
image.png
image.png

G1回收器：区域化分代式

Parallel 和 Parallel Old垃圾回收可以达到吞吐量最优
G1的优点：
image.png
G1的分区：堆空间被分为若干个区域
image.png
image.png
image.png
G1的缺点：
image.png
G1回收器的参数设置：
image.png
image.png
G1回收器作用于新生代和老年代
G1回收器垃圾回收过程：新生代GC + 并发标记过程 + 混合回收
image.png
G1的初衷就是要尽量避免Full GC，降低暂停时间，提高用户使用流畅度
ZGC比G1流畅度提升不少，ZGC还处于Oracle的测试已当中

4.垃圾回收器总结

image.png
image.png
image.png
jdk8可以通过设置虚拟机参数使用G1回收器

5.GC日志分析

image.png
GCViewer、GCEasy
image.png

6.垃圾回收器发展

image.png
image.png

字节码与类的加载篇

1 Class文件结构

Java虚拟机：跨平台的语言。可以处理很多不同的语言
Java虚拟机官方规范
JVM引入JIT即时编译器，效率高了很多
栈的局部变量表和操作数栈
Integer的范围是-128-127，超出范围返回一个new的Integer对象
字节码文件是实现java语言跨平台性的本质

Class文件的标识：魔数

Class文件版本号：主版本一般是会改变的(魔数+主版本+副版本)
高版本的虚拟机可以解析低版本的字节码文件

Demo字节码的解析：比较复杂，了解即可—-常量池数据的解读
使用jclasslib工具解析会更加方便
image.png

2 访问标识