论 JVM 简述

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前言

学习一门语言，我们必须得了解这门语言是如何运行的。所以对于java来说，我们首先要了解jvm。

所谓jvm，故名思义，即java虚拟机，提供了java代码执行的环境，jvm有各个版本，本质上来说，其实是一个在内存中的虚拟机，所以java程序所有的代码，也就都是在内存中运行的。

想了解jvm，离不开三个问题的学习：jvm的内存模型，GC垃圾回收机制，jvm调优

1.JVM的内存模型

一般，一个jvm都会包含以下几个部分

1.1Class Loader 类加载器

1.1.1作用

a.仅工作在Class装载的加载阶段，ClassLoader负责将由java文件编译好的class文件，以二进制流（byte数组）的方式加载到runtime data area运行数据区,从而转化成一个个Class对象，最终这些Class对象可以被jvm用来链接，初始化成各种具体对象。

b.注意ClassLoader只负责加载，而class是否可以正常运行，由 Execution Engine判断；

1.1.2类的装载过程

a.加载

通过classLoader加载class字节码文件，将该二进制流代表的静态存储结构，转换为方法区的运行时数据结构，生成对应的Class对象作为这个类各个数据的访问入口． 

b.链接

校验-检查加载class的正确性和安全性

准备-为类变量分配存储空间并设置类变量初始值

解析-jvm将常量池内的符号引用转换为直接引用 

c.初始化

类变量赋值 

静态代码块

1.1.3 类加载器的分类

a.BootStrapClassLoader

C++编写，加载核心库的java.*下的类，比如java.lang下的类都由该加载器加载，其他加载器的Class也是由该加载器加载的

b.ExtClassLoader

java编写，加载扩展库javax.*，其实是加载java.ext.dirs对应的目录下的class文件 

c.AppClassLoader

java编写，加载程序所在目录（classpath下的类） 

d.自定义ClassLoader

java编写，定制化加载，自己实现，甚至可以加载非class文件。

常用方法

1）findClass：需要主要实现的方法,在方法中需要调用defineClass，这个方法已经由ClassLoader实现好了，传入一个流即可

2）defineClass：

3）loadClass：loadClass方法就是加载方法，即给定一个类名，最终返回一个Class的实例

应用：由于java类加载器规范是很灵活的，只要能获取到合法的流即可，很多举足轻重的java技术都是在建立在这一基础上。

1.1.4ClassLoader双亲委派机制

当用到某个类时，先自下而上查看类加载器是否曾经加载过，如果到了最上层都没曾经加载过，再自上而下去类加载器对负责的目录中加载（注意ExtClassLoader的父类加载器是null,是因为BootStrapClassLoader是C++编写的）

好处：可以避免Class字节码对象被重复加载．

1.1.5类（Class）的加载方式

隐式加载 ：new 对象

显示加载：

a.类加载器调用loadClass方法

loadClass调用时，Class对象还没有进行链接，所以通过loadClass可以做到延时加载，比如SringIoc

b.Class的静态方法forName时

forName得到的Class对象是初始化好的

1.2Execution Engine 执行引擎

也叫做解释器(Interpreter)，负责解析class文件中的字节码，解析完成后，将解析后的命令提交操作系统执行。

1.3Native Interface 本地接口

1.3.1 作用

融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序

1.3.2 方式

在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码，它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。

1.3.3 应用

与硬件有关的应用场景，比如通过Java程序驱动打印机，或者Java系统管理生产设备，由于现在的异构领域间的通信很发达，比如Socket通信，Web Service等，目前应用面减少

1.4 Runtime Data Area 运行数据区

作用：运行数据区是整个JVM的重点。我们所有写的程序都被加载到这里，之后才开始运行，即由Execution Engine执行引擎负责解释命令，提交操作系统执行。

1.4.1Java Stack 虚拟机栈 

栈也叫栈内存，是 Java程序的运行区，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over。一些基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配

1.4.2 Native Method Stack 本地方法栈 

Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine 执行时加载native libraies 

1.4.3 PC Register 程序计数器

a.也叫PC 寄存器，每个线程都有一个程序计数器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码，由执行引擎读取下一条指令。

b.分支，循环，跳转，异常处理，线程恢复都需要该计数器

c.和线程是一对一的，每个线程私有，不会内存泄露

1.4.4 Method Area 方法区

a. java7 永久区 PermGen space (旧)

特点：JVM规范中，方法区的实现，只有 HotSpot 才有 “PermGen space”，而对于其他类型的虚拟机，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM） 并没有（不叫）“PermGen space”。 在 JDK 1.8 中，HotSpot 将 “PermGen space”移除，取而代之是Metaspace（元空间）

存储内容：一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据，即运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。默认64M大小 ，运行时常量池在JDK1.6及之前版本的JVM中是方法区的一部分，所以也在永久代中，JDK1.7及之后，JVM已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。

异常：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space，表示Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。一般出现这种情况，都是程序启动需要加载大量的第三方jar包。

b. java8　元空间　Metaspace（新） 

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现

特点：元空间并不在虚拟机的内存中，而是使用本地内存

c. 特点：被所有线程共享，保存被ClassLoader类加载之后的运行时数据结构

1.4.5  Heap 堆

介绍：一个 JVM 实例只存在一个堆类存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把对象、方法、常变量放到堆内存中，以方便执行器执行，

特点：堆被所有线程共享

结构:

a.新生区

介绍:新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个对象在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为两部分，即伊甸区（Eden space）/幸存者区（Survivor pace）。

伊甸区（Eden space）：所有的对象都是在伊甸区被new出来的

幸存者区（Survivor pace）：分为 0区（Survivor 0 space）/1区（Survivor 1 space）

当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存 0区。若幸存 0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到 1 区

b.老年代

介绍：幸存者1 区也满了之后，java对象移动到养老区，养老区 养老区用于保存从新生区筛选出来的 JAVA 对象，一般池对象都在这个区域活跃。

异常： 如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常，说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二： （1）Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。 （2）代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。

2.GC垃圾回收机制

2.1 什么是垃圾

在jvm中，当一个对象被垃圾判断算法判断为垃圾时，会被回收。

所以在了解垃圾回收机制前，需要先明白一个问题，什么是垃圾？

判断算法（是否垃圾）有两种

2.1.1引用计数法

定义：通过判断对象的引用数量决定对象是否可以被回收

每个对象都有一个引用计数器，被引用+1，完成引用-1

特点:

优点：执行效率高，程序执行受影响小

缺点：无法检测循环引用，导致内存泄露

由于无法处理循环引用的短板，该方法未被主流垃圾回收器采用

2.1.2 可达性分析算法

定义：通过判断对象的引用链是否可达来决定对象是否可以回收（与根节点不相连），引用链的根节点被称为GC Root

GC Root

1)虚拟机栈中引用的对象（栈帧中的本地变量表）

2)方法区中的常量引用的对象

3)方法区中的类静态属性引用的对象

4)本地方法栈中JNI（Native方法）引用的对象

5)活跃线程引用的对象

2.2 垃圾回收算法

2.2.1 Mark and Sweep(标记清除)

a.标记

从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记

b.清除

对堆内存从头到尾进行线性遍历，回收不可达对象的内存

c.特点：

碎片化，导致空间不连续

2.2.2 复制算法（Copying）

将内存空间划分为对象面与空闲面，每次将存活的对象复制到空闲面，然后将对象面的内存清除

特点：

解决了碎片化，顺序分配内存，简单高效

适用于对象存活率低的场景（需要复制的对象少），比如年轻代

2.2.3 标记-整理算法

a.标记

从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记

b.整理-清除

移动所有存活的对象，且按照内存地址次序排列，然后将末端地址之后的内存回收

c.特点

解决碎片化，不用设置两块内存交换，适用于对象存活率高的场景

2.2.4 分代收集算法（Generation Collector）

按照对象生命周期划分不同区域采取不同的算法

a.Minor GC(年轻代 yangGC)

特点：尽可能快速收集生命周期短的对象

空间分配：1/3的堆空间，其中Eden 8/10,from与to 1/10

（相关参数 -XX:SuvivorRatio:Eden和Survivor的比值，默认8：1

相关参数 -XX：NewRatio：老年代与年轻代内存大小的比例。）

详情：当Eden区满，会触发一次Minor GC,将存活的对象存放入from,当Eden再次满，会再触发一次Minor GC,将to与from内存地址进行一次交换，并将原from与Eden区的存活的对象拷贝到原to，同时年龄加1,Eden与原from清空（原from会被当成to）,当Eden区再次满了之后，会第三次触发Minor GC,会将对象都复制到to，清空from,对象的年龄+1，周而复始，直到对象达到一定年龄会进入老年代

对象进入老年代的情况：

1）经历一定Minor次数依然存活

（相关参数 -XX：MaxTenuringThreshold:对象从年轻晋升到老年代的GC次数阈值，默认15）

2）Survivor区中存放不下的对象

3）新生的大对象（相关参数-XX：+pretenuerSizeThreshold）

b. Full GC/Major GC (老年代，一般老年代的GC会包含年轻代的垃圾收集)

老年代：存放生命周期较长的对象

触发条件:

1) 老年代空间不足

2) 永久代空间不足 (jdk6,7)

3) CMS GC时出现promotion failed,concurrent mode failture 

这两种情况都是有对象要进入老年代，但是老年代空间不足会出现

4) Minor GC晋升到老年代的平均大小大于老年代剩余空间

5) system.gc()调用

6) 使用RMI进行RPC或管理的JDK应用，默认一小时一次full GC

2.3 垃圾收集器

2.3.1 年轻代

a.Serial收集器

单线程收集，复制算法，进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程,不过简单高效，停顿时间毫秒级（200M）

参数-XX:+UseSerialGC

b.ParNew收集器

多线程收集，其余行为，特点与Serial收集器一样

单线程下没优势，多核会比Serial性能高

参数 -XX:+UseParNewGC

c.Parallel Scavenge收集器

多线程，复制算法，尽可能缩短用户线程停顿时间，更关注系统吞吐量

吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集回收)

参数 -XX:+UseParallelGC

2.3.2 老年代

a. Serial Old收集器

单线程，标记-整理算法

-XX:+UseSerialOldGC

b.Parallel Old收集器

多线程，标记-整理，吞吐量优先

可搭配Parallel Scavenge 使用，1.6才有

-XX:+UseParallelOldGC

c.CMS收集器

标记-清除算法, 内存空间碎片化

-XX:+UseConMarkSweepGC

步骤:

1) 初始标记：stop-the-world 扫描并标记老年代中与GC root 或年轻代存活对象直接关联的第一个对象

2) 并发标记：并发追溯关联链并标记，不会停顿

3) 并发预清理：查找执行并发标记阶段从年轻代晋升到老年代的对象，或者新加入老年代的对象并标记，从而减少下一个阶段的停顿时间。

4) 重新标记：并发预清理也是并行的，因此也可能引起老年代引用的变化，所以需要重新扫描，stop the world 扫描标记堆中的所有剩余存活对象。

5) 并发清理：清理垃圾对象，不会停顿

6) 并发重置：重置CMS的数据结构

2.3.3 G1(Gerbage First)

a.特点

1) 并发与并行

2)分带收集

3) 空间整合，解决碎片化的问题

4) 可预测停顿

b.变化

1) 将整个java堆内存划分成多个大小相等的Region

2) 保留年轻代与老年代的概念，但二者不在物理隔离，只是概念存在

3) 新生代与老年代都是一部分region的集合，且region可以不连续。分配空间时，也不需要指定哪个region是年轻代，哪个是老年代，因为年轻代region空间被清除后会变为可用状态，后续可以分配为老年代的存储空间

4) 老年代回收不需要整个老年代region被回收，可以回收一部分。

c. 参数

-XX:UseG1GC,复制+标记-整理算法

d.概念

1)跨代引用

G1中也叫跨Region引用，在Minor GC时，可能会碰到一些年轻代对象被老年代region中引用，一般这种情况，我们不能扫描整个老年代，会严重影响Minor GC效率。

2)记忆集

记忆集，Remembered Set，实际上就是记录了那些Region有老年代指向年轻代的跨代引用(记录从非收集区域指向收集区域的指针集合的抽象数据结构)，从而避免Minor GC时需要扫描全部的老年代，RSet本质上是一种哈希表，Key是Region的起始地址，Value是一个集合，里面存储的元素是卡表的索引号

3)卡表

每个Region在内存中会被分成一个个小块内存Card,称为卡页，而卡表存储的是卡页的数组，本身也是记忆集的实现，具体实现方式是，若某个卡页中的对象有跨代引用，那该卡页的标识就会变为1，意味着变脏。GC时，会将本收集区卡表中变脏的元素也加入GC Roots扫描

2.4 java引用

2.4.1 强引用

普通引用

2.4.2 软引用

1)对象处在有用但非必须的状态，内存空间不足时会被回收

2)实现高速本地缓存，但是不用担心OOM

3)String str = new String();SoftReference sr = new SoftReference(str)

2.4.3 弱引用

非必须对象，GC时会被回收

String str = new String();WeakReference sr = new WeakReference(str)

2.4.4 虚引用

不会决定对象的生命周期。任何时候都可能被回收,可能昙花一现，非常短，常用于标记，哨兵。

必须和引用队列ReferenceQueue联合使用

String str = new String();ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();PlantomReference sr = new PlantomReference(str,queue)

3. JVM调优

3.1 -xss 

每个线程虚拟机栈的大小，一般256k 

影响并发线程数的大小

3.2 -xms

初始堆的大小

3.3 -xmx

堆能达到的最大值