深入理解java虚拟机

JVM内存管理

JVM 内存布局

• JVM 堆中的数据是共享的，是占用内存最大的一块区域。

• 可以执行字节码的模块叫作执行引擎。

• 执行引擎在线程切换时怎么恢复？依靠的就是程序计数器。

• JVM 的内存划分与多线程是息息相关的。像我们程序中运行时用到的栈，以及本地方法栈，它们的维度都是线程。

• 本地内存包含元数据区和一些直接内存。

虚拟机栈

在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。

一旦完成相应的调用，则出栈。所有的栈帧都出栈后，线程也就结束了。每个栈帧，都包含四个区域：

• 局部变量表

• 操作数栈

• 动态连接

• 返回地址

本地方法栈

是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是 native 方法。

程序计数器

存的，就是当前线程执行的进度

还存储了当前正在运行的流程，包括正在执行的指令、跳转、分支、循环、异常处理等。

堆

是 JVM 上最大的内存区域

存储对象

垃圾回收，操作的对象就是堆。

随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）

对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？

• 对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。

• 对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。

  我们上面提到，每个线程拥有一个虚拟机栈。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。

  注意，像 int[] 数组这样的内容，是在堆上分配的。数组并不是基本数据类型。

元空间

方法区

存储类的信息、常量池、方法数据、方法代码

总结

JVM 的运行时区域是栈，而存储区域是堆。

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类的加载机制

类加载过程

加载、验证、准备、解析、初始化。

加载

将外部的 .class 文件，加载到 Java 的方法区内

验证

不符合规范的将抛出 java.lang.VerifyError 错误

准备

将为一些类变量分配内存，并将其初始化为默认值。此时，实例对象还没有分配内存，所以这些动作是在方法区上进行的。

解析

将符号引用替换为直接引用的过程

你可以把通讯录里的女友手机号码，类比为符号引用，把面对面和你吃饭的人，类比为直接引用。

解析阶段负责把整个类激活

• 类或接口的解析
• 类方法解析
• 接口方法解析
• 字段解析

初始化

初始化成员变量

开始执行一些字节码

static 语句块，只能访问到定义在 static 语句块之前的变量

JVM 会保证在子类的初始化方法执行之前，父类的初始化方法已经执行完毕

public class A {
     static {
         System.out.println("1");
     }
     public A(){
         System.out.println("2");
         }
     }
 
     public class B extends A {
         static{
         System.out.println("a");
     }
     public B(){
         System.out.println("b");
     }
 
     public static void main(String[] args){
         A ab = new B();
         ab = new B();
     }
 }

1
a
2
b
2
b

static 字段和 static 代码块，是属于类的，在类的加载的初始化阶段就已经被执行。

类信息会被存放在方法区，在同一个类加载器下，static 代码块只会执行一次

类加载器

几个类加载器

• Bootstrap ClassLoader 启动类加载器 任何类的加载行为， 加载核心类库，也就是 rt.jar、resources.jar、charsets.jar 等。随着 JVM 启动。
• Extention ClassLoader 扩展类加载器 加载 lib/ext 目录下的 jar 包和 .class 文件 是个 Java 类，继承自 URLClassLoader
• App ClassLoader Java 类的默认加载器 加载 classpath 下的其他所有 jar 包和 .class 文件 我们写的代码，会首先尝试使用这个类加载器进行加载。
• Custom ClassLoader 自定义加载器，支持一些个性化的扩展功能

双亲委派机制

除了顶层的启动类加载器以外，其余的类加载器，在加载之前，都会委派给它的父加载器进行加载。这样一层层向上传递，直到祖先们都无法胜任，它才会真正的加载。

首先使用 parent 尝试进行类加载，parent 失败后才轮到自己。

这个方法是可以被覆盖的，也就是双亲委派机制并不一定生效。

一些自定义加载器

• tomcat
• SPI 机制 JDBC加载驱动类

小结

Java 自带的三个类加载器

main 方法的线程上下文加载器，其实是 Application ClassLoader

一般情况下，类加载是遵循双亲委派机制的

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垃圾回收

GC Roots

在发生 GC 的时候，一个对象，JVM 总能够找到引用它的祖先。找到最后，如果发现这个祖先已经名存实亡了，它们都会被清理掉。而能够躲过垃圾回收的那些祖先，比较特殊，它们的名字就叫作 GC Roots。

GC Roots 包括：

• Java 线程中，当前所有正在被调用的方法的引用类型参数、局部变量、临时值等。也就是与我们栈帧相关的各种引用。
• 所有当前被加载的 Java 类。
• Java 类的引用类型静态变量。
• 运行时常量池里的引用类型常量（String 或 Class 类型）。
• JVM 内部数据结构的一些引用，比如 sun.jvm.hotspot.memory.Universe 类。
• 用于同步的监控对象，比如调用了对象的 wait() 方法。
• JNI handles，包括 global handles 和 local handles。

GC Roots 大体可以分为三大类

• 活动线程相关的各种引用。
• 类的静态变量的引用。
• JNI 引用。

典型 OOM 场景

OOM 的全称是 Out Of Memory

最常见的还是发生在堆上

原因

• 内存的容量太小了，需要扩容，或者需要调整堆的空间。
• 错误的引用方式，发生了内存泄漏。没有及时的切断与 GC Roots 的关系。比如线程池里的线程，在复用的情况下忘记清理 ThreadLocal 的内容。
• 接口没有进行范围校验，外部传参超出范围。比如数据库查询时的每页条数等。
• 对堆外内存无限制的使用。这种情况一旦发生更加严重，会造成操作系统内存耗尽。

典型的内存泄漏场景，原因在于对象没有及时的释放自己的引用。比如一个局部变量，被外部的静态集合引用。

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垃圾回收（上）

当我们的内存空间达到一定条件时，会自动触发。这个过程就叫作 GC

负责 GC 的组件，就叫作垃圾回收器

垃圾回收器 只需要保证不要把正在使用的对象给回收掉就可以

先找到活跃的对象，然后把其他不活跃的对象判定为垃圾，然后删除

垃圾回收只与活跃的对象有关，和堆的大小无关

常见的内存回收算法

• 复制算法（Copy）

复制算法是所有算法里面效率最高的，缺点是会造成一定的空间浪费。

• 标记-清除（Mark-Sweep）

效率一般，缺点是会造成内存碎片问题。

• 标记-整理（Mark-Compact）

效率比前两者要差，但没有空间浪费，也消除了内存碎片问题。

所以，没有最优的算法，只有最合适的算法。

大部分对象，可以分为两类：

• 大部分对象的生命周期都很短；
• 其他对象则很可能会存活很长时间。

我们把死的快的对象所占的区域，叫作年轻代（Young generation）。把其他活的长的对象所占的区域，叫作老年代（Old generation）。

年轻代

年轻代使用的垃圾回收算法是复制算法

因为年轻代发生 GC 后，只会有非常少的对象存活，复制这部分对象是非常高效的。

老年代

一般使用“标记-清除”、“标记-整理”算法

年轻代垃圾回收器

• （1）Serial 垃圾收集器

  ​ 处理 GC 的只有一条线程，并且在垃圾回收的过程中暂停一切用户线程。

• （2）ParNew 垃圾收集器

• （3）Parallel Scavenge 垃圾收集器

老年代垃圾收集器

• （1）Serial Old 垃圾收集器

与年轻代的 Serial 垃圾收集器对应，都是单线程版本，同样适合客户端使用。

年轻代的 Serial，使用复制算法。

老年代的 Old Serial，使用标记-整理算法。

• （2）Parallel Old

Parallel Old 收集器是 Parallel Scavenge 的老年代版本，追求 CPU 吞吐量。

• （3）CMS 垃圾收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是以获取最短 GC 停顿时间为目标的收集器

Java8 之后，被G1 等垃圾回收器替换掉

查看java默认使用垃圾回收器

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

以下是一些配置参数：

• -XX:+UseSerialGC 年轻代和老年代都用串行收集器
• -XX:+UseParNewGC 年轻代使用 ParNew，老年代使用 Serial Old
• -XX:+UseParallelGC 年轻代使用 ParallerGC，老年代使用 Serial Old
• -XX:+UseParallelOldGC 新生代和老年代都使用并行收集器
• -XX:+UseConcMarkSweepGC，表示年轻代使用 ParNew，老年代的用 CMS
• -XX:+UseG1GC 使用 G1垃圾回收器
• -XX:+UseZGC 使用 ZGC 垃圾回收器

线上使用最多的垃圾回收器，就有 CMS 和 G1，以及 Java8 默认的 Parallel Scavenge。

• CMS 的设置参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC。
• Java8 的默认参数：-XX:+UseParallelGC。
• Java13 的默认参数：-XX:+UseG1GC。

STW （ Stop the world）

如果在垃圾回收的时候（不管是标记还是整理复制），又有新的对象进入怎么办？

最好的办法就是暂停用户的一切线程

在这段时间，不能 new 对象的，只能等待。表现在 JVM 上就是短暂的卡顿

这叫stw

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垃圾回收（下）

G1

…

实战

…

进阶

…