JVM笔记

JVM

JDK、JRE、JVM关系

• JRE=JVM+Java程序运行需要的类库(如rt.jar)

• JDK=JRE+Java开发辅助工具(bin目录下的，如javac)

Java源程序编译运行过程

• java源程序->编译->.class->jvm上运行

JVM工作总体机制

• 元信息：类的元信息：类中有哪些方法，静态变量等。

• 方法区：jdk1.8之前叫永久代，1.8以后叫元空间，用来存放类的相关信息(元数据)、常量池。

• java栈：线程私有的。

• 本地方法栈：本地方法在本地方法栈中运行，本地方法native是c++写的。

• 直接内存：物理内存分配内存给jvm，jvm再分成堆栈，给java程序使用。但是物理内存也可以不给jvm，直接给java程序使用，就叫做直接内存(NIO使用直接内存效率提高)。

• pc程序计数器。

• 堆内存：存放new出来的对象，分新生代(伊甸区、幸存者区)、老年代。

• 执行引擎：.class字节码转成指令，在计算机CPU上运行。

• 本地方法接口：允许非java语言程序在jvm上运行。

JVM类加载器

• 启动类加载器：用c++编写的类加载器，在java环境下看不到，它把.class加载到jvm中。

• 扩展类加载器：com.misc.Launcher.ExtClassLoader

• 应用类加载器：com.misc.Launcher.AppClassLoader

• 自定义加载器：程序员自己开发一个类继承java.lang.ClassLoader，定制类加载方式。

• 父子关系1：启动类加载器是扩展类加载器的父加载器。

• 父子关系2：扩展类加载器是应用类加载器的父加载器。

双亲委派机制

• 当我们需要加载任何一个范围内的类时，首先找到这个范围对应的类加载器。

• 但是这个类加载器不是马上开始查找我们要加载的类。而是把任务给父加载器，直到找到。任务传递：PersonCLassLoader->AppCLassLoader->ExtCLassLoader->BootCLassLoader。查找和加载的顺序：正好相反。

• 全类名是类的唯一标识。

• 好处：避免类的重复加载，附加载器加载了一个类，子加载器不加载了。保证了jvm全类名是唯一标识。

• 避免恶意替换jre定义的核心API。

总体机制中不重要的部分

• 本地方法栈：负责本地方法运行时提供栈空间，存放本地方法每一次执行时创建的栈帧。
• 程序计数器PC：存放CPU下一条要执行的指令的地址。

元空间

• 不同版本的名称：

  • 标准层面：方法区
  • 具体实现：<=jdk1.6:永久代 ，=jdk1.7:提出去永久代，>jdk1.8元空间

• 元：描述数据的数据。如对象和类，类就是元数据或元信息。

• 元空间存储数据：类信息、静态变量、常量、运行时常量池、类中方法的代码。

方法栈

• 方法栈不是JVM的内存空间，是描述方调用过程的一个逻辑概念。
• 方法1调用方法2,方法2先结束，方法2后结束。
• 先进后出。
• 方法每次执行都会生成一个栈帧(在栈空间中申请一个栈帧)，方法执行完栈帧会释放。

栈帧

• 栈帧存储：局部变量、动态链接、方法出口等信息。

• 栈帧结构：

  • 局部变量表：方法执行时的参数，方法体内声明的局部变量。
  • 操作数栈：存储中间运算结果，临时存储空间。如a++，先有一个临时的空间保存计算后的结果，再赋值回a，然后释放临时空间。
  • 帧数据区：保存访问常量池指针，异常处理表。

• 操作数栈案例：

  //从基本语法规则角度推测是34
  int n = 10;
  n += (n++) + (++n);
  System.out.println(n);
  //结果是32
  //过程：从局部变量表取变量n到操作数栈，操作数栈中的n++然后又++n，这两次++操作的是同一个n所以变成：n+=10+12,又有一次+=，因为又要一个临时空间，所以从局部变量表取变量n(10)到操作数栈进行计算：n=10+10+12
  

  

栈溢出异常

• 异常名称

  java.lang.StackOverflowError

  Exception下除了RunTimeException，都是编译时异常。

• 异常产生原因

  方法栈中栈帧塞满了方法栈。如：写一个没有退出机制递归。会不断的产生栈帧但不会退出方法，不会释放栈帧，会导致方法栈塞满。

栈空间私有性

• 一个线程一个方法栈，某个线程的方法栈溢出，抛异常了不会影响到其他线程。

堆空间的总体结构介绍

• 堆空间：新生代、老年代
• 新生代：伊甸区、幸存者区
• 老年代
• 永久代（非堆）
  • 内存示意图：

堆空间的工作机制

• 对象刚创建的时候放在伊甸区，程序进行，不断创建新对象，当伊甸区有点不够，会触发小gc(专门清理伊甸区的gc)，小gc会清理那些没有被指针指向(没有引用等于这个对象)的对象。当小gc运行后，没有被清理的对象，就是幸存者，会被放到幸存者区，幸存者区分两个，其中一个幸存者区会把正在使用的对象移到另一个幸存者区，剩下的都是不在用的，这时可以认为这个幸存者区是空的，有新的对象就放在这个“空的”幸存者区，然后幸存者区的from和to指针会交换,口诀（复制必交换，谁空谁为to，不容易产生碎片）经历一次gc年龄就会加1岁，当年龄到达15的话就会把对象移动到老年代（存在时间比较长的对象。如ioc中的对象），如果幸存者区满了，即使对象没有到达15岁，也会被移动到老年代。

• ioc中的对象：Tomcat->servlet->ioc->ioc中的组件。->表示引用，只要tomcat还在运行，ioc中的对象就不会被gc清理掉。

• 堆溢出异常

      public static void main(String[] args) {
          List<Object> list = new ArrayList<>();
  
          while (true){
              list.add(new Object());
          }
      }
  
  

  在run中设置VMOPtion: -XX:+PrintGC 打印GC运行日志，-Xms200 jvm启动时的堆内存大小，-Xmx200m jvm最大的堆内存大小

  运行程序可以看到Java heap space 堆内存溢出。

• OOM的另一种异常:PermGen space 永久代(方法区)内存溢出：永久代一般用于存放类的元数据和常量池等信息，当一个程序中加载的类过多时，会把永久代的堆内存占满，出现永久代异常。

GC的基本问题

• 为什么要GC？服务器长时间运行，会产生很多对象，需要清理。GC处理的是堆内存，元空间(永久代)也会捎带清理。

  栈内存不需要清理，因为栈内存中存放的是栈帧，运行一次方法就会产生一个栈帧，方法结束的时候会自动清理栈帧，所以不需要手动清理。

  什么是垃圾对象：不再使用或者获取不到的对象。就是没有引用指向他的对象。

标记垃圾对象

• 引用计数法

  在每一次对象被引用的时候，都给对象的专属的【引用计数器】加1，当引用技术器是0 的时候就会被gc清理。

  隐患：当两个对象中的成员变量都引用了另一个对象时互的时候，即使把对象的引用置空，对象【引用计数器】也不会是0，这时候这两个对象永远也不会被gc清理

  代码实例：

  		Member member01 = new Member();
          Member member02 = new Member();
  		//setFriend方法是在对象中引用另一个对象
  		member01.setFriend(member02);
          member02.setFriend(member01);
  		member01 = null;
          member02 = null;
  

  这时候，两个对象的【引用计数器】都是1 并不会被gc处理掉，但是这两个对象的引用都被置空了，已经没有办法再拿到这两个对象了，已经是垃圾对象了，却没有清理。

  这种互相引用的例子有：ServletContext 和IOC容器对象。ServletContext对象会用setAttribute方法将ioc容器存入应用域。在ioc中有ServletContext 对象，可以直接装配。

• GC Roots可达性分析

  核心原理：判断一个对象是否存在从堆外到堆内的引用。

  对象可回收就一定会被回收吗？对象有finalize方法，判断对象是否执行了finalize方法，如果没有，就先执行，将当前对对象和GC Roots关联，如果不可达，就不会关联，将被回收，finalize方法只能被执行一次。

• 哪些对象可以作为GC Roots对象

  GC Roots：作为根节点出发，顺着引用路径一直查找堆空间内的对象，GC Roots可以找到的对象。

  虚拟机栈(java栈)中的局部变量

  本地方法栈中JNI(本地方法栈)的局部变量

  方法区中的类变量、常量

垃圾回收算法

• 引用计数法

  在对象头中分配一个空间来保存该对象被引用的次数。如果该对象被其他对象引用，那么他的【引用计数器】加1，删除则减1。致命缺点：循环引用问题。

• 标记清除法

  当堆中的有效内存被耗尽时，会暂停和挂起整个程序(stop the world)，然后进行标记和清除。

  标记：从根节点开始遍历所有对象，然后将所有存活的对象标记为可达的对象。

  清除：清除会遍历堆中所有的对象，将没有标记的对象全部清除掉。

  实现简单，效率低，因为标记和清除都要遍历所有对象，垃圾收集后会造成大量的内存碎片，垃圾收集时可能会造成程序暂停。

• 标记压缩法

  标记：和标记清除法一样，把可达的对象标记出来。

  压缩：移动所有的可达对象到堆内存的同一个区域，使他们紧凑排列。从而将所有非可达对象释放出来的内存集中在一起。

  优点：优化了标记清除法，解决了碎片化的问题。

  缺点：效率低，在标记清除法上又加了一步操作，效率更低了。

• 复制算法

  把内存空间一份为二，一是有对象的（空间1），一半是空的(空间2)，然后把空间1的可达的对象移动到空间2，空间1中剩下的对象都是不可用 的，直接全部清除。结果：空间2的对象就是可达的、连续的，空间1是空的。

  优点：垃圾多时(新生代)效率比较高。清理后没有内存碎片。

  缺点：浪费一半内存空间，在存活对象比较多的情况下，效率较差。

• 综合算法：

  • 分代算法

    新生代适合使用复制算法(幸存者区就是用的复制算法,从伊甸区移动到幸存者去也是用的复制算法)

    老年代适合使用标记清除法和标记压缩法。老年代标记压缩法并不是标记清除后马上压缩，而是等连续空间不够了，再进行压缩。当然也可以马上压缩，具体看哪种jvm。

  • 分区算法

    将整个堆空间划分为连续的不同大小的区间，每个独立区间独立使用，独立回收，这样就不需要stop the world。这样就可以控制一次回收多少个小区间。相当于多线程并发GC,减少一次GC产生的停顿。

JVM参数设置入门

• Runtime类使用案例

  public class Demo09Runtime {
      public static void main(String[] args) {
          System.out.println("最大堆内存大小");
          System.out.println(Runtime.getRuntime().maxMemory()/1024/1024+"M");
          System.out.println("new前堆内存大小");
          System.out.println(Runtime.getRuntime().totalMemory()/1021/1024+"M");
          for (int i = 0; i <20 ; i++) {
              final byte[] bytes = new byte[1024 * 1024];
          }
          System.out.println("当前堆内存大小");
          System.out.println(Runtime.getRuntime().totalMemory()/1021/1024+"M");
      }
  }
  

  在VM options设置 -XX:+PrintGC 查看堆内存情况和GC情况

• JVM常用参数调优设置

  -Xms 堆内存的初始大小

  -Xmx 堆内存的最大值

  -Xmn 新生代大小

  -XX:PermSize 设置持久带最大值

  -Xss 每个线程的堆栈大小

  -XX:New Ratio年轻代与老年代的比值

  -XX:SurvivoRatio 伊甸区和幸存者区的大小比值。