--- url: https://chenlj.top/md/java-base/base/JVM.md --- # 初识 JVM ## 一 JVM 基本介绍 JVM 是 Java Virtual Machine 的缩写，它是一个虚构出来的计算机，一种规范。通过在实际的计算机上仿真模拟各类计算机功能实现。 ### 1.1 Java 文件是如何运行的 1. Java 文件经过编译后变成 .class 字节码文件 2. 字节码文件通过类加载器被搬运到 JVM 虚拟机中 3. 虚拟机主要的 5 大块：方法区，堆都为线程共享区域，有线程安全问题，栈和本地方法栈和计数器都是独享区域，不存在线程安全问题，而 JVM 的调优主要就是围绕堆，栈两大块进行 ### 1.2 JVM 的主要成员 ![JVM运行时数据区](http://qiniu.chenlj.top/20200528/5761ea1d380a46cfad538b5f41965e6a.jpg) #### 1.类加载器 JVM 在执行.class 文件之前，需要通过类加载器将.class 文件装载进 JVM。 #### 2.方法区 **方法区** 是用于存放类似于元数据信息方面的数据的，比如类信息，常量，静态变量，编译后代码···等 #### 3.堆 **堆** 主要放了一些存储的数据，比如对象实例，数组···等，它和方法区都同属于 **线程共享区域** 。也就是说它们都是 **线程不安全** 的 #### 4.栈 **栈** 这是我们的代码运行空间。我们编写的每一个方法都会放到 **栈** 里面运行。 我们会听说过 本地方法栈 或者 本地方法接口 这两个名词，不过我们基本不会涉及这两块的内容，它俩底层是使用 C 来进行工作的，和 Java 没有太大的关系。 #### 5.程序计数器 主要就是完成一个加载工作，类似于一个指针一样的，指向下一行我们需要执行的代码。和栈一样，都是 **线程独享** 的，就是说每一个线程都会有自己对应的一块区域而不会存在并发和多线程的问题。 ![](http://qiniu.chenlj.top/20200407/2fb70a4799ee42b5a8ff0faa9369a543) ## 二 类加载器的介绍 类加载器是负责加载.class 文件的，它们在文件开头会有特定的文件标示，将 class 文件字节码内容加载到内存中，并将这些内容转换成方法区中的运行时数据结构，并且 ClassLoader 只负责 class 文件的加载，而是否能够运行则由 Execution Engine 来决定。 ### 2.1 类加载器的执行过程 从类被加载到虚拟机内存中开始，到释放内存总共有 7 个步骤：加载，验证，准备，解析，初始化，使用，卸载。其中**验证，准备，解析三个部分统称为连接** #### 2.1.1 加载 1. 将 class 文件加载到内存 2. 将静态数据结构转化成方法区中运行时的数据结构 3. 在堆中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象作为数据访问的入口 #### 2.1.2 链接 1. 验证：确保加载的类符合 JVM 规范和安全，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机的事件，其实就是一个安全检查 2. 准备：为 static 变量在方法区中分配内存空间，设置变量的初始值，例如 static int a = 3 （注意：准备阶段只设置类中的静态变量（方法区中），不包括实例变量（堆内存中），实例变量是对象初始化时赋值的） 3. 解析：虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程（符号引用比如我现在 import java.util.ArrayList 这就算符号引用，直接引用就是指针或者对象地址，注意引用对象一定是在内存进行） #### 2.1.3 初始化 初始化其实就是一个赋值的操作，它会执行一个类构造器的 clinit()方法。由编译器自动收集类中所有变量的赋值动作，此时准备阶段时的那个 static int a = 3 的例子，在这个时候就正式赋值为 3 #### 2.1.4 卸载 GC 将无用对象从内存中卸载 ### 2.2 类加载器的加载顺序 加载一个 Class 类的顺序也是有优先级的，类加载器从最底层开始往上的顺序是这样的 1. BootStrap ClassLoader：rt.jar 2. Extention ClassLoader: 加载扩展的 jar 包 3. App ClassLoader：指定的 classpath 下面的 jar 包 4. Custom ClassLoader：自定义的类加载器 ### 2.3 双亲委派机制 当一个类收到了加载请求时，它是不会先自己去尝试加载的，而是委派给父类去完成，比如我现在要 new 一个 Person，这个 Person 是我们自定义的类，如果我们要加载它，就会先委派 App ClassLoader，只有当父类加载器都反馈自己无法完成这个请求（也就是父类加载器都没有找到加载所需的 Class）时，子类加载器才会自行尝试加载 这样做的好处是，加载位于 rt.jar 包中的类时不管是哪个加载器加载，最终都会委托到 BootStrap ClassLoader 进行加载，这样保证了使用不同的类加载器得到的都是同一个结果。 其实这个也是一个隔离的作用，避免了我们的代码影响了 JDK 的代码，比如我现在要来一个 ```java package java.lang; public class String(){ public static void main(){sout;} } ``` 这种时候，我们的代码肯定会报错，因为在加载的时候其实是找到了 rt.jar 中的 java.lang.String.class，然后发现这也没有 main 方法 ## 三、运行时数据区 ### 3.1 本地方法栈和程序计数器 比如说我们现在点开 Thread 类的源码，会看到它的 start0 方法带有一个 native 关键字修饰，而且不存在方法体，这种用 native 修饰的方法就是本地方法，这是使用 C 来实现的，然后一般这些方法都会放到一个叫做本地方法栈的区域。 程序计数器其实就是一个指针，它指向了我们程序中下一句需要执行的指令，它也是内存区域中唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的区域，而且占用内存空间小到基本可以忽略不计。这个内存仅代表当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解析器通过改变这个计数器的值选取下一条需要执行的字节码指令。 如果执行的是 native 方法，那这个指针就不工作了。 ### 3.2 方法区 方法区主要的作用技术存放类的元数据信息，常量和静态变量···等。当它存储的信息过大时，会在无法满足内存分配时报错。 ### 3.3 虚拟机栈和虚拟机堆 一句话便是：栈管运行，堆管存储。则虚拟机栈负责运行代码，而虚拟机堆负责存储数据。 #### 3.3.1 虚拟机栈的概念 它是 Java 方法执行的内存模型。里面会对局部变量，动态链表，方法出口，栈的操作（入栈和出栈）进行存储，且线程独享。同时如果我们听到局部变量表，那也是在说虚拟机栈 ``` public class Person{ int a = 1; public void doSomething(){ int b = 2; } } ``` #### 3.3.2 虚拟机栈存在的异常 如果线程请求的栈的深度大于虚拟机栈的最大深度，就会报 **StackOverflowError** （这种错误经常出现在递归中）。Java 虚拟机也可以动态扩展，但随着扩展会不断地申请内存，当无法申请足够内存时就会报错 **OutOfMemoryError**。 #### 3.3.3 虚拟机栈的生命周期 对于栈来说，不存在垃圾回收。只要程序运行结束，栈的空间自然就会释放了。栈的生命周期和所处的线程是一致的。 这里补充一句：8 种基本类型的变量+对象的引用变量+实例方法都是在栈里面分配内存。 #### 3.3.4 虚拟机栈的执行 我们经常说的栈帧数据，说白了在 JVM 中叫栈帧，放到 Java 中其实就是方法，它也是存放在栈中的。 栈中的数据都是以栈帧的格式存在，它是一个关于方法和运行期数据的数据集。比如我们执行一个方法 a，就会对应产生一个栈帧 A1，然后 A1 会被压入栈中。同理方法 b 会有一个 B1，方法 c 会有一个 C1，等到这个线程执行完毕后，栈会先弹出 C1，后 B1,A1。它是一个先进后出，后进先出原则。 #### 3.3.5 局部变量的复用 局部变量表用于存放方法参数和方法内部所定义的局部变量。它的容量是以 Slot 为最小单位，一个 slot 可以存放 32 位以内的数据类型。 虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表，范围为\[0,局部变量表的 slot 的数量]。方法中的参数就会按一定顺序排列在这个局部变量表中，至于怎么排的我们可以先不关心。而为了节省栈帧空间，这些 slot 是可以复用的，当方法执行位置超过了某个变量，那么这个变量的 slot 可以被其它变量复用。当然如果需要复用，那我们的垃圾回收自然就不会去动这些内存。 #### 3.3.6 虚拟机堆的概念 JVM 内存会划分为堆内存和非堆内存，堆内存中也会划分为**年轻代**和**老年代**，而非堆内存则为**永久代**。年轻代又会分为**Eden**和**Survivor**区。Survivor 也会分为**FromPlace**和**ToPlace**，toPlace 的 survivor 区域是空的。Eden，FromPlace 和 ToPlace 的默认占比为 **8:1:1**。当然这个东西其实也可以通过一个 -XX:+UsePSAdaptiveSurvivorSizePolicy 参数来根据生成对象的速率动态调整 堆内存中存放的是对象，垃圾收集就是收集这些对象然后交给 GC 算法进行回收。非堆内存其实我们已经说过了，就是方法区。在 1.8 中已经移除永久代，替代品是一个元空间(MetaSpace)，最大区别是 metaSpace 是不存在于 JVM 中的，它使用的是本地内存。并有两个参数 ``` MetaspaceSize：初始化元空间大小，控制发生GC MaxMetaspaceSize：限制元空间大小上限，防止占用过多物理内存。 ``` 移除的原因可以大致了解一下：融合 HotSpot JVM 和 JRockit VM 而做出的改变，因为 JRockit 是没有永久代的，不过这也间接性地解决了永久代的 OOM 问题。 #### 3.3.7 Eden 年轻代的介绍 当我们 new 一个对象后，会先放到 Eden 划分出来的一块作为存储空间的内存，但是我们知道对堆内存是线程共享的，所以有可能会出现两个对象共用一个内存的情况。这里 JVM 的处理是每个线程都会预先申请好一块连续的内存空间并规定了对象存放的位置，而如果空间不足会再申请多块内存空间。这个操作我们会称作 TLAB，有兴趣可以了解一下。 当 Eden 空间满了之后，会触发一个叫做 Minor GC（就是一个发生在年轻代的 GC）的操作，存活下来的对象移动到 Survivor0 区。Survivor0 区满后触发 Minor GC，就会将存活对象移动到 Survivor1 区，此时还会把 from 和 to 两个指针交换，这样保证了一段时间内总有一个 survivor 区为空且 to 所指向的 survivor 区为空。经过多次的 Minor GC 后仍然存活的对象（**这里的存活判断是 15 次，对应到虚拟机参数为 -XX:MaxTenuringThreshold 。为什么是 15，因为 HotSpot 会在对象投中的标记字段里记录年龄，分配到的空间仅有 4 位，所以最多只能记录到 15**）会移动到老年代。老年代是存储长期存活的对象的，占满时就会触发我们最常听说的 Full GC，期间会停止所有线程等待 GC 的完成。所以对于响应要求高的应用应该尽量去减少发生 Full GC 从而避免响应超时的问题。 而且当老年区执行了 full gc 之后仍然无法进行对象保存的操作，就会产生 OOM，这时候就是虚拟机中的堆内存不足，原因可能会是堆内存设置的大小过小，这个可以通过参数-Xms、-Xms 来调整。也可能是代码中创建的对象大且多，而且它们一直在被引用从而长时间垃圾收集无法收集它们。 ![](http://qiniu.chenlj.top/20200407/6e60fe33964b460185fe289ec7ce9b13) 补充说明：关于-XX:TargetSurvivorRatio 参数的问题。其实也不一定是要满足-XX:MaxTenuringThreshold 才移动到老年代。可以举个例子：如对象年龄 5 的占 30%，年龄 6 的占 36%，年龄 7 的占 34%，加入某个年龄段（如例子中的年龄 6）后，总占用超过 Survivor 空间\*TargetSurvivorRatio 的时候，从该年龄段开始及大于的年龄对象就要进入老年代（即例子中的年龄 6 对象，就是年龄 6 和年龄 7 晋升到老年代），这时候无需等到 MaxTenuringThreshold 中要求的 15 #### 3.3.8 如何判断一个对象需要被干掉 ![](http://qiniu.chenlj.top/20200407/a573682c3bc84a26863b236ca46b4fdc) 图中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈，3 个区域随着线程的生存而生存的。内存分配和回收都是确定的。随着线程的结束内存自然就被回收了，因此不需要考虑垃圾回收的问题。而 Java 堆和方法区则不一样，各线程共享，内存的分配和回收都是动态的。因此垃圾收集器所关注的都是堆和方法这部分内存。 在进行回收前就要判断哪些对象还存活，哪些已经死去。下面介绍两个基础的计算方法 1.引用计数器计算：给对象添加一个引用计数器，每次引用这个对象时计数器加一，引用失效时减一，计数器等于 0 时就是不会再次使用的。不过这个方法有一种情况就是出现对象的循环引用时 GC 没法回收。 2.可达性分析计算：这是一种类似于二叉树的实现，将一系列的 GC ROOTS 作为起始的存活对象集，从这个节点往下搜索，搜索所走过的路径成为引用链，把能被该集合引用到的对象加入到集合中。搜索当一个对象到 GC Roots 没有使用任何引用链时，则说明该对象是不可用的。主流的商用程序语言，例如 Java，C#等都是靠这招去判定对象是否存活的。 （了解一下即可）在 Java 语言汇总能作为 GC Roots 的对象分为以下几种： 1. 虚拟机栈（栈帧中的本地方法表）中引用的对象（局部变量） 2. 方法区中静态变量所引用的对象（静态变量） 3. 方法区中常量引用的对象 4. 本地方法栈（即 native 修饰的方法）中 JNI 引用的对象（JNI 是 Java 虚拟机调用对应的 C 函数的方式，通过 JNI 函数也可以创建新的 Java 对象。且 JNI 对于对象的局部引用或者全局引用都会把它们指向的对象都标记为不可回收） 5. 已启动的且未终止的 Java 线程 这种方法的优点是能够解决循环引用的问题，可它的实现需要耗费大量资源和时间，也需要 GC（它的分析过程引用关系不能发生变化，所以需要停止所有进程） #### 3.3.9 如何宣告一个对象的真正死亡 首先必须要提到的是一个名叫 **finalize()** 的方法 finalize()是 Object 类的一个方法、一个对象的 finalize()方法只会被系统自动调用一次，经过 finalize()方法逃脱死亡的对象，第二次不会再调用。 补充一句：并不提倡在程序中调用 finalize()来进行自救。建议忘掉 Java 程序中该方法的存在。因为它执行的时间不确定，甚至是否被执行也不确定（Java 程序的不正常退出），而且运行代价高昂，无法保证各个对象的调用顺序（甚至有不同线程中调用）。在 Java9 中已经被标记为 **deprecated** ，且 java.lang.ref.Cleaner（也就是强、软、弱、幻象引用的那一套）中已经逐步替换掉它，会比 finalize 来的更加的轻量及可靠。 判断一个对象的死亡至少需要两次标记 1. 如果对象进行可达性分析之后没发现与 GC Roots 相连的引用链，那它将会第一次标记并且进行一次筛选。判断的条件是决定这个对象是否有必要执行 finalize()方法。如果对象有必要执行 finalize()方法，则被放入 F-Queue 队列中。 2. GC 对 F-Queue 队列中的对象进行二次标记。如果对象在 finalize()方法中重新与引用链上的任何一个对象建立了关联，那么二次标记时则会将它移出“即将回收”集合。如果此时对象还没成功逃脱，那么只能被回收了。 如果确定对象已经死亡，我们又该如何回收这些垃圾呢 ### 3.4 垃圾回收算法 不会非常详细的展开，常用的有标记清除，复制，标记整理和分代收集算法 #### 3.4.1 标记清除算法 标记清除算法就是分为“标记”和“清除”两个阶段。标记出所有需要回收的对象，标记结束后统一回收。这个套路很简单，也存在不足，后续的算法都是根据这个基础来加以改进的。 其实它就是把已死亡的对象标记为空闲内存，然后记录在一个空闲列表中，当我们需要 new 一个对象时，内存管理模块会从空闲列表中寻找空闲的内存来分给新的对象。 不足的方面就是标记和清除的效率比较低下。且这种做法会让内存中的碎片非常多。这个导致了如果我们需要使用到较大的内存块时，无法分配到足够的连续内存。比如下图 ![](http://qiniu.chenlj.top/20200407/c4e910abcb8549b29867f93b996486f9) 此时可使用的内存块都是零零散散的，导致了刚刚提到的大内存对象问题 #### 3.4.2 复制算法 为了解决效率问题，复制算法就出现了。它将可用内存按容量划分成两等分，每次只使用其中的一块。和 survivor 一样也是用 from 和 to 两个指针这样的玩法。fromPlace 存满了，就把存活的对象 copy 到另一块 toPlace 上，然后交换指针的内容。这样就解决了碎片的问题。 这个算法的代价就是把内存缩水了，这样堆内存的使用效率就会变得十分低下了 ![](http://qiniu.chenlj.top/20200407/a0d7ee30c8f64705891a27d6f7ab5e3e) 不过它们分配的时候也不是按照 1:1 这样进行分配的，就类似于 Eden 和 Survivor 也不是等价分配是一个道理。 #### 3.4.3 标记整理算法 复制算法在对象存活率高的时候会有一定的效率问题，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，然后直接清理掉边界以外的内存 ![](http://qiniu.chenlj.top/20200407/5e3344b8763b42d781bddd65e3345972) #### 3.4.4 分代收集算法 这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把 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。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或者“标记-整理”算法来进行回收。 说白了就是八仙过海各显神通，具体问题具体分析了而已。 ### 3.5 （了解）各种各样的垃圾回收器 HotSpot VM 中的垃圾回收器，以及适用场景 ![](http://qiniu.chenlj.top/20200407/6c0c890599ae4469a7fc921d54a0e04e) 到 jdk8 为止，默认的垃圾收集器是 Parallel Scavenge 和 Parallel Old 从 jdk9 开始，G1 收集器成为默认的垃圾收集器 目前来看，G1 回收器停顿时间最短而且没有明显缺点，非常适合 Web 应用。在 jdk8 中测试 Web 应用，堆内存 6G，新生代 4.5G 的情况下，Parallel Scavenge 回收新生代停顿长达 1.5 秒。G1 回收器回收同样大小的新生代只停顿 0.2 秒。 ### 3.6 （了解）JVM 的常用参数 JVM 的参数非常之多，这里只列举比较重要的几个，通过各种各样的搜索引擎也可以得知这些信息。 | 参数名称 | 含义 | 默认值 | 说明 | | ---------------------------------------------- | -------------------------------------------------------------- | --------------------- | -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | -Xms | **初始 java 堆最小值** | 物理内存的 1/64(<1GB) | 默认(MinHeapFreeRatio 参数可以调整)空余堆内存小于 40%时，JVM 就会增大堆直到-Xmx 的最大限制. | | -Xmx | **java 堆最大值** | 物理内存的 1/4(<1GB) | 默认(MaxHeapFreeRatio 参数可以调整)空余堆内存大于 70%时，JVM 会减少堆直到 -Xms 的最小限制。开发过程中，通常会将 -Xms 与 -Xmx 两个参数的配置相同的值，其目的是为了能够在 java 垃圾回收机制清理完堆区后不需要重新分隔计算堆区的大小而浪费资源。 | | -Xmn | 年轻代大小(1.4or lator) | | 注意：此处的大小是（eden+ 2 survivor space).与 jmap -heap 中显示的 New gen 是不同的。所有共享数据区大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小。一般永久代大小固定，所以增大年轻代后,将会减小年老代大小，此值对系统性能影响较大，Sun 官方推荐配置为整个 java 堆的 3/8 | | -XX:NewRatio | 年轻代(包括 Eden 和两个 Survivor 区)与年老代的比值(除去持久代) | | 例如：-XX:NewRatio=4 表示年轻代与年老代所占比值为 1:4,年轻代占整个堆栈的 1/5。在 Xms=Xmx 并且设置了 Xmn 的情况下，该参数不需要进行设置。 | | -XX:SurvivorRatio | （幸存代），设置两个 Survivor 区和 eden 的比值 | | 例如：8，表示两个 Survivor:eden=2:8，即一个 Survivor 占年轻代的 1/10 | | -XX:NewSize | 设置年轻代大小(for 1.3/1.4) | | | | -XX:MaxNewSize | 年轻代最大值(for 1.3/1.4) | | | | -XX:+HeapDumpOnOut-OfMemoryError（只有一个词） | OOM 时导出堆到文件 | | 根据这个文件，我们可以看到系统 dump 时发生了什么。 | | -XX:+HeapDumpPath | 导出 OOM 的路径 | | -Xmx20m -Xms5m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=d:/a.dump。最多分配 20M 的空间。如果发生了 OOM 异常，那就把 dump 信息导出到 d:/a.dump 文件中 | | -XX:OnOutOfMemoryError | 在 OOM 时，执行一个脚本。 | | 可以在 OOM 时，发送邮件，甚至是重启程序。-XX:OnOutOfMemoryError =D:/tools/jdk1.7\_40/bin/printstack.bat %p //p 代表的是当前进程的 pid。上方参数的意思是说，执行 printstack.bat 脚本，而这个脚本做的事情是：D:/tools/jdk1.7\_40/bin/jstack -F %1 > D:/a.txt，即当程序 OOM 时，在 D:/a.txt 中将会生成**线程**的 dump。 | | **永久区（持久代）分配参数：** | | | | | -XX:PermSize | 设置持久代(perm gen)初始值 | 物理内存的 1/64 | | | -XX:MaxPermSize | 设置持久代最大值 | 物理内存的 1/4 | | | **栈的分配参数：** | | | | | -Xss | 每个线程的堆栈大小 | | JDK5.0 以后每个线程堆栈大小为 1M,以前每个线程堆栈大小为 256K.更具应用的线程所需内存大小进行 调整.在相同物理内存下,减小这个值能生成更多的线程.但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的,不能无限生成,经验值在 3000~5000 左右一般小的应用， 如果栈不是很深， 应该是 128k 够用的 大的应用建议使用 256k。这个选项对性能影响比较大，需要严格的测试。栈空间是每个线程私有的区域。栈里面的主要内容是栈帧，而栈帧存放的是局部变量表，局部变量表的内容是：局部变量、参数。 | | -XX:+DisableExplicitGC | 关闭 System.gc() | | 这个参数需要严格的测试 | | -XX:PretenureSizeThreshold | 对象超过多大是直接在旧生代分配 | 0 | 单位字节 新生代采用 Parallel ScavengeGC 时无效另一种直接在旧生代分配的情况是大的数组对象,且数组中无外部引用对象. | | -XX:ParallelGCThreads | 并行收集器的线程数 | | 此值最好配置与处理器数目相等 同样适用于 CMS | | -XX:MaxGCPauseMillis | 每次年轻代垃圾回收的最长时间(最大暂停时间) | | 如果无法满足此时间,JVM 会自动调整年轻代大小,以满足此值. | 其实还有一些打印及 CMS 方面的参数，这里就不以一一列举了