JVM初步理解

Jvm体系结构

jvm主要由四部分构成：
1.类加载器
2.执行引擎

• jvm的执行引擎是jvm的核心部分，它的作用就是解析jvm字节码指令，得到执行结果。
• jvm解析字节码的过程可以实现多样化：直接解释、转成本地代码再执行、采用寄存器芯片模式执行
• sun的hotspot是基于栈的执行引擎，google的dalvik是基于寄存器的执行引擎

3. 内存区

• 方法区、java堆、java栈、pc寄存器、本地方法区

4. 本地方法调用

• 调用c或c++库实现

java栈：每启动一个线程，jvm就为该线程创建一个java栈，同时为该线程分配一个pc寄存器，同时pc寄存器指向该线程的第一行可执行的代码（字节码）
java堆、方法区：存放相关常量

内存管理

java中使用内存的组件：

1. java堆：用于存储java对象，堆的大小是在jvm启动时向操作系统一次性申请的内存（大小固定，不能扩展，也不能回收）。可以通过“-Xmx（最大内存），-Xms(最小内存)”。空间释放由GC控制，对象的创建由java程序控制
2. 线程：java程序没启动一个线程，jvm会为其创建一个堆栈（一般为256kb-756kb之间，大小根据jvm的实现方式而定）
3. 类和类加载器：Sun JDK中被存储在堆中，该区域被称为“永久代（PermGen区）”

永久代被回收的条件：

• 在java堆中，没有对表示该“类加载器”的java.lang.ClassLoader对象的引用
• java堆没有对表示“类加载器”加载的类的任何java.lang.Class对象的引用
• 在java堆中，该“类加载器”加载的任何类的所有对象都不再存活（被引用）
  jvm中创建的3个默认的类加载器Bootstrap ClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader都不满足以上条件，因此任何系统类（如java.lang.String）或通过应用程序“类加载器”加载的任何应用程序类都不能在运行时释放。

4. NIO（引入通道和缓冲区来执行I/O），使用java.nio.ByteBuffer.allocateDirect()方法分配内存（本机内存）
5. JNI使得本机代码（如C语言）可以调用Java方法，即native memory

JVM内存结构（JVM运行时数据划分）：

1. PC寄存器数据

• 用于保存当前正常执行的程序的内存地址，因为java程序是多线程执行的。在多线程交叉执行时，记录并保存中断线程当前执行到哪条的内存地址，以便在恢复时中断的指令正常执行。

2. Java栈

• java栈总是与线程所关联，每当创建一个线程，JVM就会为该线程创建一个对应的Java栈，每个线程的java栈相互隔离；
• java栈中包含多个栈帧（frames），栈帧与方法相关，每个方法创建一个栈帧，栈帧包含方法内定义的变量、操作栈和方法返回值等信息；
• 栈帧在方法执行完成后弹出栈帧元素作为返回值，并清除栈帧；
• java栈的栈顶的栈帧就是当前正在执行的活动栈（即当前正在执行的方法），PC寄存器指向的是活动栈的地址

3. 堆

• 堆是java对象存储的地方，是JVM管理java对象的核心存储区域；
• java堆被java线程共享（同步问题的核心关注点）

4. 方法区

• JVM用于存储类结构的地方；
• class文件被加载到JVM时，会被存储到不同的数据结构。其中常量池、域、方法数据、方法体、构造函数、以及类中的专有方法、实例初始化、接口初始化都存储在这个区域
• 方法区属于java堆中的永久区，被线程共享，并且大小可以根据参数来设置
• GC回收器管理java堆的内存释放，方法区虽然比较稳定，但是任然被GC所管理，需要很长时间才能到达Old区

5. 本地方法区（本地方法栈）

• JVM运行Native方法准备的空间，与java栈类似。又称为C栈（因为很多Native方法是有C语言实现的）
• JVM运用JIT技术将java方法重新编译为Native Code代码，本地方法栈用来跟踪方法的执行状态

6. 运行时常量池

• 数据结构定义：Runtime constant pool代表运行时每个class文件中的常量表，包含：编译期的数字常量、方法或者域的引用（在运行时解析）
• 运行时常量池是方法区的一部分，所有它的存储受方法区的规范约束

JVM内存分配：

1. 静态内存分配
   在编译时就能确认需要的内存大小
2. 栈内存分配
   可以成为动态内存分配，只有在运行时才能确定内存的大小
   基于堆栈的方法实现
3. 堆内存分配
   只有在运行时，并且运行到相应代码是才能确定内存的大小
   最灵活的内存分配，但是对系统和内存管理是一种挑战

Hotspot基于分代的垃圾回收算法

把对象按照寿命分组，分为年轻代和老年代，新创建的对象被分为年轻代，如果对象经历过几次垃圾回收后仍然存活，那么就把该对象划分到老年代。

分区划分：

1. young区
   Eden区：存放新创建的对象的区域
   Survivor区（两个）：当Eden区满后，促发minor GC操作将Eden区存活的对象复制到其中一个Survivor区，另外一个Survivor区存活的对象也复制到该Survivor区中。保证一个Survivor区始终为空
2. old区
   存放young区中在Survivor区满，并促发minor GC后仍然存活的对象。
   如果old区满了之后，促发full GC回收整个堆的内存
3. perm区
   主要存放累的class对象，如果一个类被频繁的加载，也可能导致perm区满。
   perm区垃圾回收也是由Full GC触发

垃圾回收算法

1. Serial Collector

• client模式下默认的GC算法
• 指定参数：-XX:+UseSerialGC
• 回收策略：minor GC触发之前检查每次minor GC晋升到Old区的对象平均大小是否超过了old区剩余的空间，如果超过，则促发full GC
• 单线程回收
• 适合有限的情况下，回收慢

2. parallel Collector

• 效率高，但是在Heap过大时，应用程序暂停时间较长
• 根据minor GC和full GC不同，分为：

1. ParNewGC

• 指定参数：-XX:UseParNewGC
• 回收策略与Serial Collector类似
• 并行回收

2. ParallelGC

• Service模式默认GC方式
• 指定参数：-XX:UseParallelGC
• 并行回收：线程个数与CPU和核数有关，可以使用参数“-XX:ParallelGCThreads”来指定
• 回收策略：向Eden区申请内存空间时，如果Eden区空间不够，那么判断申请的空间是否大于Eden空间的一半。如果大于，则申请的空间直接在Old区分配；如果小于，则直接促发minor GC，在促发minor GC之前，检查每次晋升到Old区的平均大小是否大于old区的剩余空间，如果大于，则促发full GC。在此次GC之后仍然会按照该规则再检查一次。
• 清空整个Heap堆中的垃圾对象，清除perm区中已经被卸载的类信息，并进行压缩。

3. ParallelOldGC

• 指定参数：-XX:UseParallelOldGC
• 并行回收：线程个数与CPU和核数有关，可以使用参数“-XX:ParallelGCThreads”来指定
• 清除Heap堆中的部分垃圾对象，并进行部分的空间压缩

3. CMS Collector

• Old区回收暂停时间短，但是产生内存碎片、整个GC耗时较长、比较耗CPU
• 指定参数：-XX:UseConcMarkSweepGC
• 并行回收：默认线程数为4，可以通过ParallelCMSThreads来指定
• 回收策略：既不是minor GC也不是full GC。促发规则是检查Old区或者perm区的使用率，达到一定比例是促发CMS GC。促发是回收Old区的内存空间，默认是92%