JVM学习

什么是JVM

1. 定义：

   Java Virtual Machine --java程序的运行环境（java二进制字节码的运行环境）

2. 好处：

   • 一次编写，到处运行 （可移植性、平台无关性）
   • 自动内存管理，垃圾回收功能
   • 数组下标越界检查
   • 多态

3. 比较

jvm jre jdk

jre = jvm+基础类库

jdk = jvm + 基础类库 + 编译工具

开发javase = jdk + ide工具

开发javaee = jdk + 应用服务器 + ide工具

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PQ39xiG7-1655614298432)(/Users/renkaixuan/Desktop/typora/JVM/IMG_56B65EE215C8-1.jpeg)]

学习JVM有什么用

• 面试
• 理解底层实现原理
• 中高级程序员必备技能

内存结构

1.程序计数器

1.1 定义

Program Counter Register 程序计数器（寄存器）

1.2作用

• 记住下一条jvm指令的执行地址
• 特点
  • 线程私有
  • 不会存在内存溢出

2.虚拟机栈

Java Virtual Machine Stacks (java虚拟机栈)

2.1定义

• 每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈
• 每个栈由多个栈帧组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法

1. 问题辨析

   1. 垃圾回收是否涉及栈内存

      不会，随着方法运行结束栈内存会自动释放不需要垃圾回收

   2. 栈内存分配越大越好吗

      栈内存大了线程数量会变少

   3. 方法内的局部变量是否线程安全

      • 如果方法内局部变量没有逃离方法作用范围，它是线程安全的。

      • 如果时局部变量引用了对象，并逃离了方法的作用范围，需要考虑线程安全

2.2栈内存溢出

• 栈帧过多导致内存溢出(例如递归调用)
• 栈帧过大导致内存溢出

3.本地方法栈

4.堆

4.1定义：Heap 堆

• 使用new关键字创建对象会使用堆内存

• 特点

  • 它是线程共享的，堆中对象都需要考虑线程安全

  • 有垃圾回收机制

4.2堆内存溢出

4.3堆内存诊断

• jsp工具

  查看当前系统中有哪些java进程

• jmap工具

  查看堆内存占用情况 （jmap -heap 进程id）

• jconsole

  图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测

​ 案例：

• 垃圾回收后，内存占用仍然很高

​ jvisualvm

5.方法区

5.1定义

​ java虚拟机线程的共享区域

​ 存储类的结构信息：成员变量，方法数据，成员方法，构造器方法，运行时常量池等

​ 方法区在虚拟机启动时创建

​ 方法区在逻辑上是堆的一部分

5.2组成

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-dKbvWtrM-1655614298433)(/Users/renkaixuan/Desktop/typora/JVM/IMG_3AEDB64BDE46-1.jpeg)]

5.3方法内存溢出

• 1.8以前会导致永久代内存溢出

• 1.8以后会导致元空间内存溢出

5.4运行时常量池

• 常量池：一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息
• 运行时常量池，常量池是*.class文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

5.5StringTable

• 常量池中的字符串仅是符号，第一次用到时才变为对象
• 利用串池的机制，来避免重复创建字符串对象
• 字符串变量拼接的原理是StringBuilder（1.8）
• 字符串常量拼接的原理是编译优化
• 可以使用intern方法，主动将串池中还没有的字符串对象放到串池
  • 1.8将这个字符尝试放入串池，如果有则不会放入，如果没有则会放入，会把串池中的对象返回
  • 1.6将这个字符尝试放入串池，如果有则不会放入，如果没有则会复制一份对象放入，会把串池中的对象返回

5.6StringTable位置

5.7StringTable垃圾回收

5.8StringTable性能调优

StringTable底层是哈希表

• 调整 -XX:StringTableSize=桶个数
• 考虑将字符串对象是否入池

6直接内存

6.1定义

Direct Memory

• 常见于NIO操作时，用于数据缓冲区

• 分配回收成本较高

• 不受JVM管理

垃圾回收

1.如何判断对象可以回收

1.1引用计数法

1.2可达性分析算法

• java虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象
• 扫描堆中的对象，看是否能够沿着GC Root对象为起点的引用链找到该对象，找不到表示可以回收
• 哪些对象可以作为GC Root？

1.3四种引用

• 强引用：例如赋值。存在强引用就不会被垃圾回收
• 软引用：
  • 垃圾回收后内存仍不够会被回收
  • 可以配合引用队列来释放软引用自身
• 弱引用：
  • 不管内存是否充足都会被垃圾回收
  • 可以配合引用队列释放软引用自身
• 虚引用：
  • 必须配合引用队列使用，主要配合ByteBuffer使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队，由Reference Handler线程调用虚引用相关方法释放直接内存
• 终结器引用：
  • 无需手动编码，但其内部配合引用队列使用，在垃圾回收时，终结器引用入队（被引用对象暂时没有被回收），再由Finalizer线程通过终结器引用找到被引用对象并调用它的finalize方法，第二次GC时才能回收被引用对象

2.垃圾回收算法

2.1标记清除

• 速度快
• 会造成内存碎片

2.2标记整理

• 速度慢
• 没有内存碎片

2.3复制

• 不会有内存碎片
• 需要占用双倍内存空间

3.分代垃圾回收

• 对象首先分配在伊甸园区
• 新生代空间不足时，出发minor gc，伊甸园和from存活的对象使用copy算法复制到to中，存活的对象年龄加1并交换from 、to
• minor gc会引发stop the world，暂停其他用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行
• 当对象寿命超过阀值时会晋升至老年代，最大寿命是15
• 当老年代空间不足会先尝试出发minor gc，如果空间仍不足会触发full gc，STW的时间更长

4.垃圾回收器

4.1串行

• 但线程
• 适合堆内存较小、个人电脑

4.2吞吐量优先

• 多线程
• 堆内存较大，多核cpu
• 让单位时间内STW的时间最短

4.3响应时间优先

• 多线程
• 堆内存较大，多核cpu
• 尽可能让STW的时间最短

4.4G1

适用场景：

• 同时注重吞吐量和低延迟，默认的暂停目标是200ms
• 超大内存，会将堆划分为多个大小相等的Region
• 整体上是标记+整理算法，两个区域之间是复制算法
• 相关JVM参数
  • -XX:+UseG1GC
  • -XX:G1HeapRegionSize=size
  • -XX:MaxGCPauseMillis=time

1)G1垃圾回收阶段

​ 循环（Young Collection(新生代垃圾收集)，Yong Collection+Concurrent Mark(新生代垃圾回收+并发标记），Mixed Collection（混合收集）)

5.垃圾回收调优

类加载与字节码技术

1.类文件结构

2.字节码指令

javap工具

• javap -v HelloWorld.class
  • Contant pool:常量池

方法执行流程

3.类加载阶段

3.1加载

• 将类的字节码载入方法区
• 如果这个类还有父类没有加载，先加载父类
• 加载和链接可能是交替运行的

3.2链接

• 验证：验证类是否符合JVM规范，安全性检查

• 准备：为static变量分配空间，设置默认值

  • static变量分配空间和赋值在两个阶段，分配空间在准备阶段，赋值在初始化阶段
  • 如果static变量是final的基本类型，以及字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶段完成
  • 如果static变量是final的，但属于引用类型，那么赋值也是在初始化阶段完成

• 解析

  • 将常量池中的符号引用解析为直接引用

3.3初始化

发生时机：

• main方法所在的类总会被首先初始化
• 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
• 子类初始化，如果父类没有初始化会引发
• 子类访问父类的静态变量，只会引发父类的初始化
• Class.forName
• new会导致初始化

不会导致初始化的情况：

• 访问类的static final静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
• 类对象.class不会触发初始化
• 创建该类的数组不会触发初始化
• 类加载器的loadClass方法
• class.forName的参数2为false时

JMM（java内存模型）

JMM定义了一套在多线程读写共享数据时（成员变量、数组）时，对数据的可见性、有序性和原子性的规则和保障

1.java内存模型

1.1解决办法synchronized(同步关键字)

语法

synchronized(对象){
	要作为原子操作代买
}

2.可见性

3.有序性

jvm会进行指令重排，在多线程情况下会出现问题

volatile关键字可以禁用指令重排

4.synchronized优化

4.1轻量级锁

如果一个对象虽然有多个线程访问，但多线程访问的时间是错开的（也就是没有竞争关系），那么可以使用轻量级锁来优化

4.2锁膨胀

在尝试加轻量级锁的过程中，cas操作无法成功，这时一种情况就是有其他线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁

4.3重量级锁

重量级锁竞争的时候，可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功，这时就可以避免阻塞

多核cpu自旋才有意义

4.4偏向锁

轻量级锁在没有竞争时，每次重入仍需要执行cas操作。java6中引入了偏向锁来优化：只有第一次使用cas将线程id设置到对象的mark word头，之后发现这个线程id是自己的就表示没有竞争，不用cas

• 撤销偏向锁需要将持锁升级为轻量级锁，这个过程所有线程都需要暂停STW
• 访问对象的hashcode也会撤销偏向锁
• 如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程T1的对象仍有机会重新偏向T2，重偏向会重置对象的ThreadID
• 撤销偏向和重偏都是批量进行的，以类为单位
• 如果撤销偏向达到某个阀值，整个类的所有对象都会变为不可偏向的
• 可以主动使用-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向锁

4.5其它优化

1.减少上锁时间

同步代码块中尽量短

2.减少锁的粒度

将一个锁拆分为多个锁提高并发度，例如：

• ConcurrentHashMap
• LongAdder分为base和cells两部分。
• LinkedBlockingQueue入队和出队使用不同的锁，相对于LinkedBlockingArray只有一个锁效率高

3.锁粗化

多次循环进入同步块不如同步块内多次循环

另外JVM可能会做如下优化，把多次append的加锁操作粗化为一次

4.锁消除

JVM会进行代码的逃逸分析，例如某个加锁对象是方法内局部变量，不会被其它线程访问到，这时候就会被即使编译器忽略掉所有同步操作

5.读写分离

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteSet