Java虚拟机小结

内存模型

JVM内存结构

• 程序计数器：程序计数器是一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。（线程私有）

• JVM栈：

  • 与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。
  • 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。
  • 局部变量表存放着编译期可知的基本数据类型、对象引用、returnAddress类型。

• 本地方法栈：与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，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。（线程私有）

• Java堆：

  • 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。

• 方法区：与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

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，直到达到阀值，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。

垃圾回收

对象存活判断

• 引用计数算法：

  • 每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。
  • 此方法虽然简单，但是无法解决对象相互循环引用的问题。

• 可达性分析算法：

  • 从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的，不可达对象。
  • 可以作为GC Roots的点包括：
    
    • 虚拟机栈（栈栈中的本地变量表）引用的对象；
    • 方法区中类静态属性引用的对象；
    • 方法去中常量引用的对象；
    • 本地方法栈中Native方法引用的对象。

对象存活判断

• 标记 -清除算法，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。

• 复制算法，将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

• 标记-压缩算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存分代收集算法。

• 分代收集算法，把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

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。
  • 过程分为四步：
    
    • 初始标记，标记GC Roots直接关联的对象。速度很快。
    • 并发标记，进行GC Roots Tracing 的过程。
    • 重新标记，修正并发标记期间，因用户进程导致的标记变动。
    • 并发清除。
  • 缺点：
    
    • 对CPU资源非常敏感；
    • 无法处理浮动垃圾；
    • 基于“标记清除算法”，会产生大量空间碎片。

• 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。
  • 具备并行并发、分代收集、空间整合、可预测停顿等特性。

GC调优

• 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。

• 常用调优工具分为两类,jdk自带监控工具：jconsole和jvisualvm，第三方有：MAT(Memory Analyzer Tool)、GChisto。

  • 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。
  • 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。

类加载机制

类加载的过程

• 加载
  
  • 查找并加载类的二进制数据；
  • 在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象。
• 验证
  
  • 确认class文件字节流包含的信息符合吸泥机要求，不会危害吸泥机自身的安全；
  • 包括文件格式、元数据、字节码、符号引用验证。
• 准备
  
  • 为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值；
  • 这些变量所使用的内存都在方法区中进行分配。
• 解析
  
  • 虚拟机将常量池里符号引用转化为直接引用的过程。
• 初始化
  
  • 为类的静态变量赋予正确的初始值。

类加载器

• 启动类加载器：Bootstrap ClassLoader，负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库
• 扩展类加载器：Extension ClassLoader，该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载DK\jre\lib\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.*开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
• 应用程序类加载器：Application ClassLoader，该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器。

双亲委派模式

• 过程：
  
  • 如果一个类加载器收到了类加载的请求，他首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给自己的父类加载器去完成。
  • 每一个加载器都是如此，因此所有的加载请求，都会传送到顶层的启动类加载器中；
  • 只有当父类加载器反馈自己无法加载这个加载请求，子类加载器才会尝试自己去加载。
• 好处：
  
  • Java类随着他的类加载器一起具备了一种带优先级的层次关系；
  • 保证了Java程序的稳定运作。

参考文献：深入理解Java虚拟机